第十章 船-机-桨的配合工作 船舶阻力 与推进.doc

第十章 船-机-桨的配合工作前章所讨论的螺旋桨设计问题，系对船舶在一定情况下选择效率最佳的螺旋桨。对于普通船舶即指满载时以全速或用正常马力航行的情况。显然，船舶在设计状态下航行时，不仅螺旋桨效率最佳，而且船体-螺旋桨-主机间的配合十分完善。但船舶的实际航行状态比较复杂，外界情况的改变(例如风浪、污底、航道深度、装载情况等)直接引起船体阻力的变化，因而航速、螺旋桨的工作情况、主机的功率及转速等都将发生变化。 10-1 船-机-桨的配合工作条件与分析螺旋桨及主机装在船上成为一个复杂的联动机构。主机为机械能的发生器，螺旋桨为能量的转换器(将主机的旋转能转换为推力能)，而船体则为能量的需求者(即螺旋桨的推力能消耗于船体阻力做功)。因此，船体-螺旋桨-主机之间能量转换及工作状态是相互牵制和相互关联的。当船舶在等速直线航行时，主机与螺旋桨之间有下列关系： 运动的：螺旋桨的转数等于主机的转数； 动力的：螺旋桨所需的转力矩等于主机所能供给的转力矩。若螺旋桨与主机之间装有减速齿轮，则上述关系中尚需引入传动比作为乘数。同样，在船体与螺旋桨之间也存在下列关系： 运动的：螺旋桨的进速等于伴流修正后的船速，即VA=V(1 -)； 动力的：螺旋桨的有效推力等于船体所遭受的阻力，即T(1-t)=R。现讨论船速变化(即主机部分马力航行)时螺旋桨的工作情况。当船在刚开航时，船速及船体阻力为零，主机以某一转速带动螺旋桨，此时螺旋桨的进速系数J0，其发出之推力启动船舶作加速运动。其后，船速渐增，阻力加大，而螺旋桨的进速系数也随之渐增。若转速保持不变，则推力因进速系数增加而略减，如转速继续增加，则推力可能续增。当船速与转速达到适当的关系后，螺旋桨发出的推力恰能克服船体阻力，螺旋桨所遭受的转力矩亦恰为主机所能供给者，则供求互相平衡，船即以等速度前进，螺旋桨也在一定的进速系数下操作。普通低速船舶在保持排水量不变的情况下，其阻力与船速V约略成平方关系，即有效马力与V 3成比例。若伴流分数，推力减额分数t和相对旋转效率R不随船速变化的话，则螺旋桨推力与进速VA成平方关系。据螺旋桨比较定律可知，符合此种关系之条件为进速系数J值相同，因此普通低速度船舶以不同马力航行(保持排水量不变)时主机的转速大致与船速成比例，主机马力则约略与转速的三次方成比例。换句话说，螺旋桨在不同转速下工作时所要求的主机马力约略与转速的三次方成比例，表示此种关系的Ps-n3曲线通常称为推进特性曲线。但其他类型船舶的阻力不一定与V 2成比例关系，故实际情况常较上述者复杂。现进一步讨论因外界条件的影响使船舶阻力发生变化时螺旋桨的工作情况。若某船的螺图 10-1旋桨在给定主机马力和转速下其工作情况如图10-1所示。此时螺旋桨的转速为n = N/60，吸收的转矩为Q，发出的推力为，船舶达到的航速为V，螺旋桨的进速VA=V(1-)，对应的螺旋桨工作点在进速系数JVA/nD处(见图10-1(b)。下面分两种情况讨论外界条件变化可能产生的后果。第一种情况：船舶在压载航行时因吃水减小，阻力降低，阻力曲线如图10-1(c)中R l -V所示。因为T(1-t)R，故T(1-t)R1，使船加速。此时： 若主机转速n保持常数，由于螺旋桨的进速VA提高，则进速系数J上升，KT及KQ均减小。当船速达到V1时进速系数为J1，其相应的推力及转矩系数为KT1及KQ1。推力T1=KT1n2D4=R1/(1-t)克服船速为V1时的阻力R1，船体与螺旋桨在V1V的状态平衡。此时KQ1KQ，故Q1KQ1n2D5Q，Q为主机在转速n时所能提供的转矩。这就表明：当船体阻力减小时，若主机转速不能提高，则必然不能充分利用马力，螺旋桨处于“轻载”状态工作。 若转速可以提高，则进速系数J约略维持不变，当转速增加到n1时，由于n1n，故，使主机与螺旋桨达平衡状态。同时，使，这就表明：当船体阻力减小时，若主机转速能够提高，则船速可以增大。第二种情况：船舶由于污底或风浪而增加阻力，如图10-1(c)中R2-V所示。因为T(1-t)=R，故T(1-t) R2，使船速降低。此时： 若主机转速保持常数，由于螺旋桨的VA减小，则进速系数J下降，KT及KQ均增大。当船速降至V2时进速系数为J2，其相应的推力及转矩系数为KT2及KQ2，推力T2KT2n2D2R2/(1-t)，克服船速为V2时的阻力R2，船体与螺旋桨在V2V的状态平衡。此时，KQ2KQ，故Q2KQ2n2D5Q。这就表明：当船体阻力增加时，若主机转速保持不变，则要求能供给的转矩Q2大于原设计时的转矩Q。 若主机转矩Q不能增加，则只能靠降低主机转速至n2。使。显然，由于，故，使船速继续减小。这就表明：当船体阻力增加时，若主机供给的转矩不能再增加则螺旋桨将不得不减小转速，而主机仍处于最大转矩下工作，这种现象，称螺旋桨处于“重载”状态工作。根据以上的简要分析可知，船舶在不同航行情况下船体-螺旋桨-主机间的关系比较复杂，它们之间是相互牵制和相互关联的。通常对于船体-螺旋桨-主机的配合问题可以归结如下： 船舶在经济航速时的功率及转速，也即螺旋桨在不同转速时可以达到的航速和所需的主机马力； 船舶的排水量或外界情况发生变化时，船舶能够达到的航速、主机的功率及转速； 多螺旋桨船在部分螺旋桨工作时能达到的最大航速、主机功率和转速； 关于螺旋桨的设计工况。下面将作进一步的讨论。一、特性曲线我们知道，船体、螺旋桨和主机间相互存在联系，但同时又必须服从它们各自的特性。因此，我们首先分别考虑一下它们单独的情况。为了使问题更清楚，下面将以2.5104t散装货船为例进行讨论。 船体：众所周知，表征船体阻力特性的是有效马力曲线。我们可以通过近似估算或船模阻力试验来确定船体的有效马力曲线。对应于不同装载状况将有不同的有效马力曲线，一般有满载和压载之分。此外，若考虑到风浪或污底等影响因素，则尚需增加一定百分数的有效马力裕度。2.5104t散装货船相应于三种状态的有效马力如下：V（kn）14.014.515.015.516.016.517.0（）满载PE（）压载PE（）20%附加的PE4,0503,4504,8704,5703,8005,4805,2004,2606,2406,0904,7707,3107,1205,3508,5508,3306,05610,0009,8206,86011,780上表中，压载状态系指首吃水4.9m，尾吃水7.7m的状态，满载状态系指首尾吃水都是9.8m，即满载试航状态；满载PE加上20%附加，即为在风浪或污底情况下的有效马力。从上面情况看到，由于装载状态不同或由于污底等必定会引起船体有效马力的变化，即船体阻力的变化。图 10-2 图 10-3 螺旋桨的特性曲线：螺旋桨的特性是由敞水性征曲线来表示的。上述2.5104t散装货船主机的额定功率为1.2104hp，转速为115rpm，螺旋桨的设计工况取1.2104hp及118.5rpm。可达航速V=16.05kn。该桨的敞水性征曲线如图10-2所示。 主机的特性曲线：船用主机一般有蒸汽往复机、蒸汽涡轮机及内燃机三种，而目前以内燃机使用最为普遍，因此这里主要介绍内燃机的外特性。船用内燃机极大多数为柴油机，当其燃料泵有效冲程为一定时，喷嘴的喷油量亦为一定。从理论上说，其转矩为常数。但转速过高或过低时，引起汽缸内燃烧不良或增加机械摩擦，故转矩均将下降。因柴油机的转矩在设计转速附近约为常数，故其马力约略与转速成正比。因此，对于这类主机，当转速小于额定转速时，可视作等转矩主机。改变或调节柴油机喷嘴的喷油率，则可得柴油机在不同负荷情况下的外特性曲线，如图10-3所示。以往船用主机，单机功率及增压度都不太大，发动机的热负荷也不高，因此在整条主机外特性曲线上都能安全地稳定运转。由于在外特性和推进特性线之间尚有一大块面积可供利用，故柴油机的潜在功率很大(见图10-4(a)。所谓推进特性线是指通过额定功率和额定转速点的一条三次方抛物线：。六十年代以来，相继出现了大功率、高增压的船用柴油机，这类船用发动机由于增压度很高，缸径又大，热负荷是很大的，致使其功率贮备区减小，如图10-4(b)所示。图 10-4 (a) 低增压，小缸径柴油机； (b) 高增压，大缸径柴油机。二、船体、螺旋桨和主机三者的关系首先我们将2.5104t散装货船三种航行状态的有效马力曲线画于图10-5中，然后，利用给定的螺旋桨特性(见图10-2)计算不同转速时可达到的航速和所需要的主机马力。并将计算结果也一起画入图10-5中，计算过程见表10-1。此图通常称为校核曲线(或称航行特性曲线)。表10-1 2.5104t散装货船校核曲线计算给定螺旋桨 D = 5.75m，P/D = 0.782，AU5-65；伴流分数 = 0.34；推力减额分数 t = 0.26；相对旋转效率 R= 0.982；传送效率 S = 0.98；海水密度 = 104.6 kgf s2/m4对三个不同转速N =118.5，113，107 rpm情况下进行的计算结果如下：a、N =118.5 rpm，n = 1.975 转/ 秒V (kn)14151617VA = 0.5144(1-)V (m/s)4.765.095.435.77J = VA/n D0.4190.4480.4780.509KT0.22450.2120.1990.1845KQ0.02980.028550.02720.0258T = KTn2D4 = 447,000KT100,20094,70088,80082,400PTE = T(1-t)V/145.67,1307,2207,2307,120Q = KQ n2D5 = 2,565,000KQ76,40073,20069,70066,200PD= 2 n Q/7512,64012,10011,52010,940PS = PD/RS13,14012,57011,98011,370b、N =113 rpm，n = 1.884 转/ 秒V (kn)14151617J = 0.4390.4700.5020.532KT0.2160.2020.1880.174KQ0.02890.02760.02610.0248T = 407,000KT87,80082,20076,40070,800PTE 6,2506,2706,2206,120Q = 2,330,000KQ67,50064,30060,90057,800PD10,65010,1509,6209,130PS 11,07010,55010,0009,500c、N =107 rpm，n = 1.783 转/ 秒V (kn)14151617J = 0.4640.4970.5290.563KT0.2050.1900.1750.159KQ0.02780.02640.02490.0233T = 364,000KT74,70069,20063,70057,800PTE 5,3105,2705,1704,990Q = 2,090,000KQ58,10055,20052,00048,700PD8,6708,2307,7607,270PS 9,0208,5608,0707,570图 10-5由图10-5可以看到，该图的上半部分表示不同航行状态在不同转速时可达的航速，下半部分表示相应情况下所需的马力。从图中得到： 在满载试航状态(即正常航行状态)下，N118.5rpm，航速V=16.05kn，所需主机马力Ps11,970hp，校核证明与设计基本一致，N113rpm，航速V15.6kn，所需主机马力Ps =10,250hp，由此即可了解在同一航行状态下，由于主机转速的改变而引起航速V和马力Ps的变化。 从有效马力曲线与N =118.5rpm的螺旋桨有效推马力PTE曲线交点D和D 可知，航速应为15.47kn，所需主机马力为12,300hp，但该主机的额定马力为12,000hp，故螺旋桨处于“重载”状态，必须减低转速至N =117rpm，可达航速V=15.4kn，主机马力Ps=12,000hp。 从有效马力曲线与N =118.5rpm的螺旋桨有效推马力曲线交点E和E 可知，航速V =17.15kn，主机马力Ps=11,300hp。此时螺旋桨处于“轻载”(相对于设计工况)状态，如果主机转速还可提高的话，则航速还可增加，使马力发足，但由于转速受主机的限制已不能提高。综上所述，我们利用图10-5和主机的特性即可清楚地了解船体-螺旋桨-主机三者之间的关系。在完成船体-螺旋桨-主机三者关系的校核曲线后，往往还需计算该螺旋桨在系泊状态(或称系柱状态)的推力。显然，在系柱状态时船速V0，螺旋桨的进速系数J0，螺旋桨的KT和KQ达最大值，螺旋桨处于“重载”状态。按柴油机的特性，主机必然降低转速，而保持额定转矩运行。具体计算步骤如表10-2。表 10-2序号项 目单位数 值说 明1n转/秒主机额定转速2PShp主机额定马力3PD = PS S Rhp螺旋桨敞水收到马力4Q = 75PD/2 nkgfm螺旋桨转矩5KQ0(J = 0)由敞水性征曲线查得J = 0时的转矩系数6(转/秒)2由主机等转矩特性求得系柱状态的转速7KT0 (J = 0)由敞水性征曲线查得J = 0时的推力系数8T = KT0 D 4kgf螺旋桨系柱推力9t00.04系柱状态的推力减额分数取0.0410F = T(1- t0)kgf螺旋桨系柱拖力 10-2 螺旋桨设计状态一、螺旋桨设计工况点以往在螺旋桨设计时常采用额定转速和额定马力作为设计工况，而对于功率贮备问题并未引起注意，其原因是： 如果设计的螺旋桨较轻(即留有功率贮备)，则在试航时转速虽已达到额定数值，但主机未发出额定功率，如不超速运转，则无法试出主机额定功率，更谈不到110%额定功率的过载功率。 以往船用主机的单机功率及增压度都不太大，故在外特性和推进特性线之间尚有一大块面积可用，柴油机的潜在功率很大。但对于大功率高增压船用柴油机来说，按额定转速和额定马力作为螺旋桨的设计工况，会出现不少问题。如：由于船体积污，转矩增大而引起的平均有效压力的提高，造成燃烧室周围热负荷增大，以致引起气缸盖，排气阀、排气阀箱体、气缸等损裂；气缸严重磨损而漏气；活塞顶部烧坏，活塞环槽出现热裂纹等等。现以瑞士苏尔寿公司生产的RD和RND型柴油机为例，该公司于1968年正式发出通知，对RD、RND型发动机给出了一个允许的工况范围(见图10-6)。 柴油机能够持续工作的运转范围，平均有效压力Pe不得超过额定工况点的推进特性线；转速不得超过额定转速的103%，而在(100103)%转速范围内，则以100%额定马力Ps的等功率线作为限制(即图中的A区)。 柴油机不能沿整根外特性曲线(100%有效压力Pe时)运转，自90%n开始，随着转速图 10-6苏尔寿公司规定：A可以持续工作的工作范围；B仅允许短时期工作的工况范围；C仅为出海试航时主机的转速上限石川岛播磨提出：B1容许运转范围；B2仅允许短时期工作范围。(图中B1和B2之间的虚线为热负荷限制特性线)的下降应显著减少喷油量，降低平均有效压力Pe，以减小发动机的热负荷。这是一根冒烟限制特性线，在Ps-n图上，它近似地平行于推进特性线。考虑到发动机本身及废气透平增压器在运转过程中活塞环可能磨损，喷油嘴雾化不良，空气过滤器、中间冷却器的局部堵塞、压气机叶片和透平叶片的表面沾污等故障，而引起主机及增压效率的暂时性下降，会导致热负荷的进一步提高。规定在转矩极限线和推进特性线之间的范围(即图中B区)为仅允许短期使用的工况范围。 发动机的极限转速为额定转速的108%，在103108%的范围(图中C区)内仅允许在出海试航测量最大功率时作短期使用。因此苏尔寿公司规定对该厂生产的RD和RND型发动机应以100%额定转速n，85 90%额定马力Ps作为螺旋桨的设计工况点。日本针对RD型柴油机，在外特性线下面又作了一根热负荷限制特性线，规定B2区能短期运转，而B1区可作发动机贮备功率，允许持续运转。日本石川岛播磨重工业公司于1967年针对RD型柴油机提出了应以100%额定马力Ps，103.5%额定转速n作为螺旋桨设计工况的建议。从上面的介绍可以清楚地看到，对于这类主机决不允许以100%额定马力Ps，100%额定转速n作为螺旋桨的设计工况，否则一旦船体阻力增加，螺旋桨处于“重载”，主机就不能正常运转。必须注意，对于不同类型的主机，其容许的工况范围不尽相同，如RND的B1区域较RD更小，我们在设计螺旋桨之前，先要了解主机的工作特性，然后定出设计工况。对于大功率、高增压的柴油机，在设计螺旋桨时，必须留有一定的贮备。目前有两种通行的方法： 功率贮备：以100%额定转速n、8590%额定马力Ps作为螺旋桨设计工况点； 转速贮备：以100%额定马力Ps、103.5105%额定转速n作为螺旋桨设计工况点。关于螺旋桨设计工况点的问题，目前可能还有不同的看法，但上述情况，在选择螺旋桨设计工况时应引起我们的注意。总之，对于具体情况应作具体分析，例如，对不同的主机类型、不同的航线及使用单位的要求等加以综合考虑。二、多工况船舶螺旋桨设计的特点拖船、拖网渔船、破冰船及扫雷艇等都具有两种典型的航行状态：自航状态和拖航(或破冰、扫雷)状态。这类船舶在自由航行状态时螺旋桨发出的推力只用于克服船体阻力；而拖带航行时，除克服船体阻力外，还需克服拖钩上的拉力(或破冰阻力)。两种不同工况下螺旋桨的工作状态相差很大，因此，对其设计状态的选择需要进行具体的分析比较。下面以拖船为例简略说明这类船舶的螺旋桨设计特点。就主观愿望来说，我