一种集成式舰船蒸汽动力给水装置及舰船蒸汽动力系统的制作方法

本发明涉及舰船动力系统领域，特别是涉及一种集成式舰船蒸汽动力给水装置及舰船蒸汽动力系统。

背景技术：

当前蒸汽动力系统依然是大型舰船的主要动力来源，承担着将燃油燃烧释放的热能转变为舰船前进的推进动能和自用电的重要作用。而现有的舰船蒸汽动力系统采用蒸汽朗肯循环方式，水冷壁式蒸发器作为船用锅炉和蒸汽动力系统的换热装置，大型汽轮机作为热能到动能的转换设备，而凝给水系统是为蒸汽动力系统提供稳定给水的源动力。特别需要注意的是，凝给水系统作为整个蒸汽动力系统主要的驱动的装置，不仅要为蒸汽动力系统提供足够流量和压力的给水，更负担着系统运行工况调节的重要作用，可以认为凝给水系统是蒸汽动力系统的核心组成部分。

舰船蒸汽动力系统受限于船用空间、海洋环境和运行要求等限制，凝给水系统流程主要为汽轮机出口的排汽排入凝汽器冷却为凝水，经过热力或化学除氧之后进入凝水泵进行初步增压，再进入给水泵升压至额定工作压力。当前的舰船蒸汽动力系统中的凝给水系统存在以下三个问题：

首先，凝给水系统过于复杂，且容易受到风浪影响。凝给水系统通常由多个喷水射流泵、凝水泵和给水泵及相关管路阀门等组成，由于舰船动力舱空间有限，为了保证给水泵具有足够升压能力和汽蚀余量，需要在给水泵前增设凝水泵对凝水进行初步升压，但同时又引入了凝水泵汽蚀问题，需要增大凝水泵与凝汽器之间的液位差或在凝水泵前增设喷水射流泵等方式保证凝水泵的稳定工作，以上设备的层层叠加导致凝给水系统的设备组成和连接管路均非常复杂。另外，由于大型舰船需要长时间运行在海面之上，极有可能受到大风浪等恶劣海况的影响，舰船必然会产生大幅度左右摇摆或者前后倾斜，虽然凝水泵通常布置在舰船中心线附近，但在较大摇摆晃动下依然会出现凝水泵入口水位接近或低于凝汽器水位的现象，使凝水泵入口灌注高度不够，导致凝水泵出现汽蚀而无法正常工作，进而引发后续的给水泵出现供水量不足、供水压力不够或者喘振等问题，直接影响蒸汽动力系统的安全稳定运行，严重时甚至导致全船失去动力源。

第二，凝给水系统中的汽动给水泵将产生大量较高品质的排汽，该排汽通常将被送入凝汽器直接冷却，造成有效热能的浪费，使船用蒸汽动力系统效率难以提升。由于船用蒸汽动力系统普遍需要提供数万马力的功率，且主流的舰船蒸汽动力系统蒸汽压力高达6-8mpa，因此，凝给水系统需要为大流量的凝给水提供足够的压升，由于凝水泵升压较低，仅为0.2-0.3mpa，因此通常采用电力驱动，而给水泵压升高达6-8mpa，必须采用大量高能蒸汽驱动。给水泵通常采用背压式汽轮机，该汽轮机将产生0.5-0.9mpa、约200℃的排汽，这部分排汽将直接被送入凝汽器进行冷凝，造成了有效热量浪费，导致大型舰船的蒸汽动力系统效率仅为22％左右。

第三，凝给水系统由于包含多台泵组，是舰船蒸汽动力系统的主要噪声来源。其中凝水泵在汽蚀时将产生极大瞬态噪声，而给水泵由于功率较大，其汽轮机和泵的振动是整个动力系统中振动噪声的主要组成部分，严重影响了动力舱的工作环境和隔壁舱室的人居环境。

综上，当前舰船蒸汽系统的凝给水系统存在着系统组成复杂、热能利用率低和振动噪声大等问题，是影响舰船动力系统综合性能提升的主要瓶颈问题。

技术实现要素：

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种集成式舰船蒸汽动力给水装置及舰船蒸汽动力系统，以有效解决凝给水系统现存的组成复杂、热效率低和振动噪声大等问题。

为解决上述问题，本发明提供一种集成式舰船蒸汽动力给水装置，包括：入口集箱、汽液激波升压装置和出口集箱；

其中，所述汽液激波升压装置包括：混合室、凝水腔室、蒸汽缩放喷管和混合缩放喷管；所述蒸汽缩放喷管、所述混合室和所述混合缩放喷管沿蒸汽运动方向依次连通；所述蒸汽缩放喷管的入口与所述入口集箱连通，所述混合室与所述凝水腔室连通，所述混合缩放喷管的出口与所述出口集箱连通。

进一步地，所述混合缩放喷管包括：依次连通的渐缩段、喉口段和渐扩段。

进一步地，所述入口集箱为环形结构，所述入口集箱设有排汽进口和多个沿周向均匀布置的排气出口，各所述排气出口均与所述蒸汽缩放喷管的入口连通。

进一步地，所述出口集箱为环形结构，所述出口集箱设有水集箱出口和多个沿周向均匀布置的水集箱进口，各所述水集箱进口均与所述混合缩放喷管的出口连通。

进一步地，所述混合室、所述凝水腔室、所述蒸汽缩放喷管和所述混合缩放喷管均为多个，各所述混合室、所述凝水腔室、所述蒸汽缩放喷管和所述混合缩放喷管一一对应设置。

进一步地，所述集成式舰船蒸汽动力给水装置还包括：给水泵；所述给水泵与所述出口集箱的出口连通。

进一步地，所述集成式舰船蒸汽动力给水装置还包括：安装基座；所述安装基座固定在所述汽液激波升压装置内，所述给水泵通过所述安装基座与所述汽液激波升压装置连接。

进一步地，所述集成式舰船蒸汽动力给水装置还包括：固定支架和柔性隔振器；所述给水泵依次通过所述固定支架和所述柔性隔振器与甲板连接。

为解决上述问题，本发明提供一种舰船蒸汽动力系统，包括：上述的集成式舰船蒸汽动力给水装置。

进一步地，所述舰船蒸汽动力系统还包括：蒸发器、汽轮机、汽轮发电机、凝汽器和驱动汽轮机；所述蒸发器的输出端分别与所述汽轮机、所述汽轮发电机和所述驱动汽轮机连通，所述汽轮机和所述汽轮发电机依次通过所述凝汽器和所述集成式舰船蒸汽动力给水装置与所述蒸发器的输入端连通，所述驱动汽轮机通过所述集成式舰船蒸汽动力给水装置与所述蒸发器的输入端连通。

本发明提供的集成式舰船蒸汽动力给水装置及舰船蒸汽动力系统，通过设置集成式舰船蒸汽动力给水装置代替常规喷水射流泵和凝水泵，利用汽液激波升压装置同时实现升压和换热，不再受海洋摇摆环境的影响。混合升压过程中，实现了对排汽热能的充分利用，一方面减少凝给水系统设备组成和自用电需求，另一方面也减少了凝汽器的负荷，有效提升了蒸汽动力系统的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的舰船蒸汽动力系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的集成式舰船蒸汽动力给水装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的入口集箱的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的出口集箱的结构示意图；

附图标记说明：1、入口集箱；2、汽液激波升压装置；3、出口集箱；4、给水泵；5、安装基座；6、固定支架；7、柔性隔振器；8、蒸发器；9、汽轮机；10、汽轮发电机；11、凝汽器；12、驱动汽轮机；21、混合室；22、凝水腔室；23、蒸汽缩放喷管；24、混合缩放喷管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种集成式舰船蒸汽动力给水装置，如图1和图2所示，该集成式舰船蒸汽动力给水装置包括：入口集箱1、汽液激波升压装置2和出口集箱3；

其中，汽液激波升压装置2包括：混合室21、凝水腔室22、蒸汽缩放喷管23和混合缩放喷管24。蒸汽缩放喷管23、混合室21和混合缩放喷管24沿蒸汽运动方向依次连通。蒸汽缩放喷管23的入口与入口集箱1连通，混合室21与凝水腔室22连通，混合缩放喷管24的出口与出口集箱3连通。

本实施例中，混合缩放喷管24包括：依次连通的渐缩段、喉口段和渐扩段。

工作过程中，排汽进入入口集箱1后，从入口集箱1出来的蒸汽直接进入汽液激波升压装置2对应的蒸汽缩放喷管23，来自凝汽器的凝水进入汽液激波升压装置2对应的凝水腔室22。蒸汽经过蒸汽缩放喷管23加速至数百米每秒，达到超声速状态。凝水进入混合室21后开始于高速蒸汽直接接触。由蒸汽形成高速汽流作为动力源，与低压水流直接接触并部分凝结，在混合室21内开始逐步混合并进入混合缩放喷管24。在混合缩放喷管24的渐缩段内，高速蒸汽与低速凝水进行更为剧烈的直接接触换热，通过强烈的能量和动量交换，凝水与蒸汽混合物在渐缩段内形成超声速汽水混合物。由于汽水混合物处于两相流状态，其声速远低于单相流体，因此该汽水混合物依然处于超声速状态。进入喉口段后，由于剧烈的通道收缩将导致超声速汽水混合物产生凝结激波，超音速汽水混合物经过凝结激波后会出现流速突降、压力突升现象，将汽水混合物转变为单相水，该单相水的压力和温度相对凝水都出现了显著提升，再通过扩张段进行单相水的流动扩张减速，得到约0.5mpa的单相水，可满足给水泵入口水的压力要求。

本发明实施例提供的集成式舰船蒸汽动力给水装置，通过设置集成式舰船蒸汽动力给水装置代替常规喷水射流泵和凝水泵，利用汽液激波升压装置同时实现升压和换热，不再受海洋摇摆环境的影响。混合升压过程中，实现了对排汽热能的充分利用，一方面减少凝给水系统设备组成和自用电需求，另一方面也减少了凝汽器的负荷，有效提升了蒸汽动力系统的效率。

基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图2和图3所示，入口集箱1为环形结构，入口集箱1可采用一进多出式结构，即入口集箱1设有排汽进口和多个沿周向均匀布置的排气出口，各排气出口均与蒸汽缩放喷管23的入口连通。本实施例以1进4出为例，由1个排汽进口、1个排汽集箱和4个排气出口组成，在各排气出口可设置不同阻力的节流孔板件，保证各排气出口的蒸汽流量保持相等。

如图4所示，出口集箱3可采用一出多进式结构，出口集箱3为环形结构，出口集箱3设有水集箱出口和多个沿周向均匀布置的水集箱进口，各水集箱进口均与混合缩放喷管24的出口连通。本实施例以4进1出结构为例，由4个水集箱进口、1个环形水集箱和1个水集箱出口组成，在各水集箱进口设置不同阻力的节流孔板件，以保证每个汽液激波升压装置2扩张段的背压相等。

同理，为满足多通道的结构设计，本实施例中，汽液激波升压装置2可设置多个，为保证稳定性一般设置成偶数个，即混合室21、凝水腔室22、蒸汽缩放喷管23和混合缩放喷管24为多个，各混合室21、凝水腔室22、蒸汽缩放喷管23和混合缩放喷管24一一对应设置，以与上述一进多出式的入口集箱1和一出多进式的出口集箱3配合使用。出口集箱3与汽液激波升压装置2直接连接，从汽液激波升压装置2出来的单相水直接进入出口集箱3。由于周向均匀设置偶数多个汽液激波升压装置2，因此在这些汽液激波升压装置2的出口均联通至出口集箱3进行汇集。

本实施例中，通过焊接等方式将入口集箱1、汽液激波升压装置2和出口集箱3形成一体化结构，如图1所示，入口集箱1的出口与汽液激波升压装置2的蒸汽进口直连，汽液激波升压装置2的出口与出口集箱3直连，入口集箱1的排汽入口预留标准的蒸汽法兰接口，出口集箱3的水出口预留标准的高压水法兰。

本实施例中，集成式舰船蒸汽动力给水装置还包括：给水泵4；给水泵4与出口集箱3的出口连通。为固定给水泵4，集成式舰船蒸汽动力给水装置还包括：安装基座5；安装基座5固定在汽液激波升压装置2内，给水泵4通过安装基座5与汽液激波升压装置2连接。实现汽液激波升压装置2与给水泵4的刚性连接，既可以在不改变给水泵4外结构的前提下，对已有的凝给水系统进行改装，又可以适应不同舰船凝给水系统的功率需求进行系列化、定制化设计，与不同型号给水泵4进行直接选型适配。

为减少噪音，集成式舰船蒸汽动力给水装置还包括：固定支架6和柔性隔振器7；给水泵4依次通过固定支架6和柔性隔振器7与甲板连接。由于本实施例中入口集箱1、汽液激波升压装置2和出口集箱3为一体化结构，即整个集成式舰船蒸汽动力给水装置均通过固定支架6和柔性隔振器7与舰船动力舱室的底部甲板连接，实现了集成式舰船蒸汽动力给水装置的集成整体隔振，有利于振动噪声的控制和隔离。

本发明实施例提供的集成式舰船蒸汽动力给水装置，通过设置集成式舰船蒸汽动力给水装置代替常规喷水射流泵和凝水泵，利用汽液激波升压装置同时实现升压和换热，不再受海洋摇摆环境的影响。混合升压过程中，实现了对排汽热能的充分利用，一方面减少凝给水系统设备组成和自用电需求，另一方面也减少了凝汽器的负荷，有效提升了蒸汽动力系统的效率。

此外，区别于上述实施例，本实施例减小了集成式舰船蒸汽动力给水装置的振动噪声，一体化的设计一方面取消了凝水泵，另一方面将汽液激波升压装置与给水泵刚性集成和整体隔振。另外，汽液激波升压装置可以对给水泵形成一股自上向下的持续作用力，该作用力与汽液激波升压装置的重量共同作用增大了给水泵的自身重量，从而减少给水泵的振幅和频率。

本发明实施例还提供一种舰船蒸汽动力系统，如图1至图4所示，该舰船蒸汽动力系统包括上述集成式舰船蒸汽动力给水装置。

本实施例中，舰船蒸汽动力系统还包括：蒸发器8、汽轮机9、汽轮发电机10、凝汽器11和驱动汽轮机12。蒸发器8的输出端分别与汽轮机9、汽轮发电机10和驱动汽轮机12连通，汽轮机9和汽轮发电机10依次通过凝汽器11和集成式舰船蒸汽动力给水装置与蒸发器8的输入端连通，驱动汽轮机12通过集成式舰船蒸汽动力给水装置与蒸发器8的输入端连通。

工作过程中，船用锅炉燃烧室通过燃油燃烧释放热量，通过水冷壁式的蒸发器8将6-8mpa的给水加热蒸发为高温高压蒸汽，该蒸汽中约95％的蒸汽进入汽轮机9和汽轮发电机10，为舰船提供前进动力和供电，另一股约5％蒸汽进入给水泵4的背压式驱动汽轮机12。汽轮机9和汽轮发电机10的排汽都进入凝汽器11冷凝为0.01-0.03mpa的凝结水，凝结水除氧后再进入集成式舰船蒸汽动力给水装置。给水泵4的驱动汽轮机12产生约0.9mpa、200℃的排汽，该排汽进入入口集箱1，从入口集箱1出来的蒸汽直接进入汽液激波升压装置2对应的蒸汽缩放喷管23，来自凝汽器的凝水进入汽液激波升压装置2对应的凝水腔室22。蒸汽经过蒸汽缩放喷管23加速至数百米每秒，达到超声速状态。凝水进入混合室21后开始于高速蒸汽直接接触。由蒸汽形成高速汽流作为动力源，与低压水流直接接触并部分凝结，在混合室21内开始逐步混合并进入混合缩放喷管24。在混合缩放喷管24的渐缩段内，高速蒸汽与低速凝水进行更为剧烈的直接接触换热，通过强烈的能量和动量交换，凝水与蒸汽混合物在渐缩段内形成超声速汽水混合物。由于汽水混合物处于两相流状态，其声速远低于单相流体，因此该汽水混合物依然处于超声速状态。进入喉口段后，由于剧烈的通道收缩将导致超声速汽水混合物产生凝结激波，超音速汽水混合物经过凝结激波后会出现流速突降、压力突升现象，将汽水混合物转变为单相水，该单相水的压力和温度相对凝水都出现了显著提升，再通过扩张段进行单相水的流动扩张减速，得到约0.5mpa的单相水，可满足给水泵4入口水的压力要求。从水集箱出口离开的单相水在给水泵4内升压至6-8mpa，之后升压后的给水进入到蒸发器8上进行换热蒸发，再进入下一轮的循环。

其中，在保证凝水压升至0.5mpa的前提下，高压蒸汽与凝水的质量比例可达1：20。给水泵4耗汽量约为蒸发器新蒸汽产量的5％，因此其排汽足以将全部凝水进行升压，可以满足舰船蒸汽动力系全工况的运行需求。

综上所述，本实施例提供的舰船蒸汽动力系统以汽液激波升压装置取代常规喷水射流泵和凝水泵，该汽液激波升压装置采用驱动汽轮机的排汽作为高压汽源，将来自凝汽器的凝水进行除氧后作为待升压水源。通过汽液两相流的激波作用将0.01-0.03mpa的凝水升压至约0.5mpa，满足直接进入给水泵入口的初始压力条件，从根本上排除了凝给水系统汽蚀问题。

另外，由于给水泵出口排汽具有较高的压力和温度(0.5-0.9mpa、约200℃)，其直接和凝水进行混合升压过程中，也实现了对排汽热能的充分利用，一方面减少集成式舰船蒸汽动力给水装置组成和自用电需求，另一方面也减少了凝汽器的负荷，其整体热效率将有较大幅度提升。

此外，将汽液激波升压装置与给水泵进行刚性连接，在给水泵上等间距的周向均匀设置两个或偶数多个汽液激波升压装置，汽液激波升压装置中高压排汽和低压凝水均由上向下流动，可对给水泵壳体形成一股自上向下的持续作用力，从某种程度上来说，其作用类似于增大了给水泵的自身重量，在相同的功率等级和转速的情况下，可显著减少其振动的幅值和频率，从而达到给水泵减振降噪的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。