船舶柴油机特性.doc

柴油机特性重点：柴油机特性的分类，速度特性和负荷特性。难点：推进特性和限制特性。 单元一 概述一、柴油机的工况 1发电机工况 转速恒定 2螺旋桨工况 N=Cn3 3其它工况 转速和扭矩之间没有一定的关系。二、柴油机特性的分类1柴油机特性柴油机的主要性能指标和工作参数（如排气温度Tr、最高爆发压力pz、增压压力pk等）随运转工况变化的规律称为柴油机的特性。把这种变化规律在坐标上用曲线的形式表示出来，这种曲线称为柴油机的特性曲线。2目的（1）评价柴油机的性能（2）确定柴油机工况 （3）分析影响特性的因素（4）检测柴油机的状态三、柴油机特性的分类 Ne=Cpeni 1)速度特性 pe不变，n改变 2)负荷特性 n不变， pe改 3)推进特性 n和pe均改变化单元二 速度特性1概念：将喷油泵油量调节杆固定在某一位置，改变柴油机外负荷以改变其转速，测量各转速下的功率Ne、扭矩Me（或平均有效压力pe）、有效耗油率ge和排气温度Tr等随转速的变化规律。 根据喷油泵油量调节机构固定的位置不同，有全负荷速度特性（亦称外特性）。部分负荷速度特性和超负荷速度特性。2全负荷速度特性（1）概念：将喷油泵油量调节杆固定在标定供油量位置，改变柴油机外负荷以改变其转速，测量各转速下的功率Ne、扭矩Me（或平均有效压力pe）、有效耗油率ge和排气温度Tr等随转速的变化规律。（2）标准环境状况：（3）柴油机功率的标定：我国国家标准规定了内燃机标定功率分为15分钟功率、1小时功率、12小时功率、持续功率四级。 15分钟功率：柴油机允许连续运行15分钟的最大有效功率。商船不允许使用这么大的功率。可作为军用车辆和舰艇的追击功率。 1小时功率：柴油机允许连续运行1小时的最大有效功率。可作为商船的超负荷功率。是最大持续功率的110。1小时功率还可作为拖拉机、工程机械的最大使用功率。 12小时功率：柴油机允许连续运行12小时的最大有效功率。可以作为拖拉机、工程机械的正常使用功率。 持续功率：柴油机允许长期连期运行的最大有效功率。船舶柴油机就用它来标定功率，并同时标定其相应转速。我们通常所说的标定功率就是指这种功率，标定工况就是指这种功率及其相应转速。国外船用柴油机常用的几种功率（工况）名称MCR：最大持续功率，同时标有相应的转速。原含义相当于国家标准的持续功率标定工况，是设计选配螺旋桨的依据。OR：超负荷功率工况。其功率为MCR功率的110。 CSR：持续使用功率工况。船舶正常持久使用的功率工况。CSR负荷定得比MCR小，留有一定的功率储备。CSR是船舶计划船期，油耗的主要依据。 ERP：按推进特性的经济功率工况。 ERG：按负荷特性的经济功率工况。（4）全负荷速度特性曲线的制取起动柴油机，逐步将转速升高到标定转速，热车再逐步增加负荷至标定功率并使之在标定工况下稳定运转。将供油拉杆（或齿条）固定，使供油拉杆保持在标定工况供油量位置上。 以转速为测量点，调节水力测功器以增加负荷，使柴油机在标定转速和最低稳定转速之间的各个不同测量点上稳定运转。同时测量并记录柴油机在各转速下的性能参数（Me、Pe、ge、Tr等），每个点测两次。 将记录的性能参数作为纵坐标，以转速为横坐标绘制成曲线。 图9-2 6ESDZ75/160B型柴油机的全负荷速度特性3超负荷速度特性我国船舶建造规范规定，柴油机的超负荷功率为标定功率的110（作为船舶主机此时的转速是103标定转速）。 并且在12h运转期内允许超负荷运转小时。4部分负荷速度特性三、 速度特性的参数分析 柴油机按速度特性工作时，喷油泵供油量调节结构固定在相应位置上，此时可认为喷油泵供油系数变化不大，即循环供油量基本不变。此时有关参数的变化规律如下：（1）n增加，充量系数C降低。（2）n增加，非增压机过量系数降低（C降低），而增压机增加（进气密度增加）。（3）n增加，非增压机指示热效率i降低（与成正比），而增压机i增加。（4）n增加，非增压机平均指示压力Pi降低（与i成正比），而增压机Pi增加。（5）n增加，非增压机和低增压机机械效率m降低（m=1-Pm/Pi，n增加，Pm增大，而Pi降低），而高增压机m增加。（6）n增加，非增压机平均有效压力Pe（Me）降低，增压机P e（Me）增加。（7）n增加，非增压机和低增压机e降低，而高增压机e增加。通常最大e（be）发生在低于nb的某一转速。单元三 柴油机的负荷特性1概念：当转速保持不变时，柴油机的各性能指标和工作参数（如排气温度Tr、最高爆发压力pz、增压压力pk等）随负荷的变化而变化的规律称为柴油机的负荷特性。2负荷特性曲线的制取起动柴油机，逐步将转速升高到标定转速，并使之稳定运转一段时间。逐步增大外负荷至选定的不同负荷（25、50、75、90、100、110Nb），并分别在选定的不同负荷时稳定运转，待有关参数稳定后，测取并记录有关性能参数和运转参数。试验中，每调节一次负荷，应同时改变调速手柄，使转速保持不变。 将记录的性能参数和运转参数作为纵坐标，以Ne为横坐标绘制成曲线。3各性能参数随负荷变化的规律（1）有效功率Ne和指示功率Ni为过原点的直线。（2）Ne增加，m增大，空车时m=0（3）Ne增加，i和均降低。（4）Ne增加，e先期增加，后期降低。所以必在运转范围内出现最大e（be）。单元四 推进特性 一、螺旋桨特性简介 1螺旋桨水动力特性根据螺旋桨理论，螺旋桨的推力FP和扭矩MP的公式为： FP=K1nP2D4 （9-1） MP=K2nP2D5 （9-2）式中：流体的密度，千克/米3； nP螺旋桨转速，转/秒; D螺旋桨直径，米； K1推力系数； K2扭矩系数。 由试验可知，推力系数K1和扭矩系数K均与螺旋桨的进程比P有关。P表示螺旋桨每转一转实际产生的位移VP/nP与直径D之比，即P=VP/（nPD）。在船舶稳定航行时，P=常数，K1、K2均为定值，使螺旋桨吸收功率NP=CnP3，相应推力为FP=C1nP2 ，扭矩为 MP=C2nP2 。当转速n不变而VP降低时（如航行阻力增加），P减小，K1、K2增加，即推力和扭矩都增加，相应的特性曲线均变陡（左移）。当P=0时，即n=0，VP=0，称系泊工况，此时K1、K2最大， FP和MP 也达到最大值。 2不同P时的螺旋桨特性 3不同H/D时的螺旋桨特性二、推进特性1概念：当柴油机作为船舶动力驱动螺旋桨工作时，在Ne =Cn3 变化的情况下，各性能参数随转速变化而变化的关系。2推进特性曲线的制取方法（1）试验工况的确定确定Ne =Cn3中的常数C。C=Ne/ n3，按标定点确定。在柴油机工作的转速范围内，预先选定一组（6-7）转速n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7作为试验中转速参数。由Ne =Cn3，通过计算求出一组Ne1、Ne2 、Ne3 、Ne4 、Ne5 、Ne6 、Ne7作为试验中负荷参数。表9-1转速506379.59196.5100103功率12525507590100110（2）试验方法和步骤起动柴油机，使之在接近n1的转速下运转。调节柴油机的调速手柄和测功器负荷（水力测功器的进水量），使转速为n1、负荷为Ne1，待稳定运转后，测量并记录有关性能参数和运转参数。同理调节柴油机的另一个工况（n2、Ne2）稳定工作，测量并记录有关参数。因以此类推可得其它选定工况点（n3、Ne3）（n7、Ne7）的有关参数值。以转速n为横横坐标，以记录的性能参数和运转参数作为纵坐标，绘制成曲线。 三、各性能参数随转速变化的规律1n增加，充量系数C降低。2n增加，过量空气系数降低。3n增加，指示热效率i降低（与成正比）。4n增加，机械效率m增大（m=1-Pm/Pi，n增加，Pi的增大量超过Pm）。5n增加，初期e增加，be降低（m的增大量大于i的降低量）；后期e降低，be增加。通常增压机在80-90%nb时e最大。 单元五 调速特性 1概念：当调速手柄固定在某一工况位置时，使负荷从零逐渐增加到最大值，在调速器的作用下，柴油机的的功率、扭矩等随转速的变化规律。2作用：考核调速器是否满足使用要求。3调速特性曲线的制取方法 一般在制取调速特性曲线时应同时完成突变负荷试验。（1）突变负荷试验起动柴油机，逐步增加转速至标定转速，调节测功器，增加负荷，使柴油机在标定工况下稳定运转，然后将调速手柄固定。突然卸去全部负荷，柴油机在调速器的作用下，经历短暂时间后将在比最高瞬时转速稍低的最高空载稳定转速下运转。（2）调速特性试验（标定工况）从调速器控制的最高空载稳定转速起，以标定功率的25%、50%、75%、90%、100%或测功器读数的整数值为测量点，调节测功器以增加负荷，每调节一次负荷，待柴油机稳定运转后，测量一次Me、Ne、ge、 Tr等参数，直到转速下降到突变负荷前转速为止。以转速为横座标，以Me、Ne、ge、 Tr等参数为纵座标绘出曲线。 下图为装有全制式调速器柴油机的调速特性。图中斜线26相当于转速设定机构固定于不同位置时的调速特性。上包络线1是全负荷速度特性。斜线5为标定位置时的调速特性。单元六 限制特性和柴油机的使用范围一、柴油机的限制特性1限制特性的概念：是指柴油机在各种转速下的最大有效功率，使柴油机的机械负荷和热负荷不超过为保证它可靠工作而规定的允许范围。按柴油机的种类不同，在确定其运转功率的限制范围时，可把PZ、Pe、Me、和Tr作为限制因素，通常是Me、和Tr。2限制特性的作用：防止超扭矩和超温度。3等转矩限制特性（限制机械负荷） 船用柴油机在各种转速下保持标定功率Nb和标定转速nb下的标定扭矩Mb不变时，功率和转速的变化关系称为等转矩限制特性。建立等转矩限制特性的条件是：各转速下的Me都等于标定工况点的Mb。 由Ne=Men/9550 Ne=Mbn/9550=An （A=Mb/9550）可知： 等转矩限制特性曲线是一条通过坐标原点和标定工况点的直线，当柴油机在这条直线以下工作时，可保证轴系的机械负荷都不超过允许值。4等排温限制特性（限制热负荷）柴油机在各种转速下保持标定工况点过量空气系数不变时，功率和转速的变化关系称为等过量空气系数限制特性。建立等过量空气系数限制特性的条件是：各转速下的都等于标定工况点的b。若柴油机在各种转速下都保持不小于b，则热负荷不超过标定工况点水平。 但柴油机在实际运转中的值难于测量，同时保持值不变是困难的，而排气温度是可测量的并能在一定条件下反映出柴油机的热负荷，因此常用排气温度作为限制热负荷的一个参数。建立等排气温度限制特性的条件是：各转速下保持标定工况点的排气温度不变时，功率和转速的变化关系称为等排温限制特性。上图为某一柴油机限制特性，从图中可知，在转速下降初期，是以转矩作为主要限制参数，而转速下降后期，则以排温作为限制特性。二、柴油机的允许工作范围 船用柴油机允许工作范围是由最大功率、最小功率、最高转速和最低转速四个方面来限制。1柴油机在各种转速下允许达到的最大功率（负荷），是由等转矩限制特性曲线3和等排温限制特性曲线1来限制。2柴油机在各种转速下允许达到的最小功率（负荷），是由最小负荷速度特性曲线8来限制。 3柴油机在各种负荷下允许达到的最高转速是由标定工况点的调速特性曲线5来限制。4柴油机在各种负荷下允许达到的最低转速是由按推进特性曲线工作的最低稳定转速曲线10来限制的。第七节 柴油机与螺旋桨的配合1机桨匹配的基本原则 既使柴油机的功率得到充分利用，又使柴油机的功率在全部运转速范围内都不超出允许的范围。（1）以主机标定功率配桨原则上是在柴油机标定转速下使设计选配的螺旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率NeH(螺旋桨曲线过MCR点)如图9-19所示。螺旋桨与柴油机的匹配点在柴油机的标定工况(MCR)点a。曲线1即为柴油机的全负荷速度特性线。当要柴油机在低于标定转速nH的某一转速n2下运转时，就减小油门，减少每循环供油量。曲线2即为相应的部分负荷速度特性线。交点b就是这时柴油机、螺旋桨的工况点。从图上看出，这时柴油机的功率不仅小于标定功率NeH，而且小于这个转速下由全负荷速度特性曲线所限定的功率（对应于d点的的功率。这里为了分析简便，以全负荷速度特性作为限制特性。）可见，在转速nH到nmin的全部变化范围内，柴油机的功率都不会超出允许的范围。在运转中还允许柴油机在高于nH的最大转速nmax下工作。这时需要增加供油量，相应于这个供油量的超负荷速度特性曲线3 与螺旋桨特性曲线相交于C点。这时柴油机处于超负荷状态，因此只允许柴油机短时间在这个转速下工作。（2）螺旋桨结构参数对机桨配合的影响图中、是三个螺旋桨的特性曲线。螺旋桨配得过重、螺旋桨配得过轻。螺旋桨则匹配正确，其特性曲线正好过标定工况点a。曲线1为柴油机全负荷速度特性曲线，旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率。 当螺旋桨配得过重时，这时螺旋桨特性曲线与柴油机全负荷速度特性曲线相交于b点，此时尽管油门加大到标定位置，但柴油机的功率和转速均达不到标定值，而负荷(pe) 却已达到持续运转的限制值（全负荷速度特性作为限制特性）。如要让柴油机发出标定功率NeH，就需要进一步增大供油量，如f点所示。这时负荷(pe)已超过标定值了。如要使柴油机在标定转速nH下工作，如e点所示，就更是超负荷了。可见，当螺旋桨配得过重时，要么造成柴油机超负荷（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力无法得到充分利用。 当螺旋桨配得过轻时，这时螺旋桨的特性曲线与柴油机全负荷速度特性曲线相交于d点，即柴油机油门推到标定位置时就超速了。为了使柴油机在标定的转速nH下工作，只得减少油门，让它在部分负荷速度特性曲线4上工作。这时工作点为C点，柴油机的功率小于标定功率NeH，也不能发足。可见，当螺旋桨配得过轻时，要么造成柴油机超转速（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力也无法得到充分利用。二、外界状况（船舶阻力）对对机桨配合的影响三、选配螺旋桨时的功率储备四、系泊工况及航行中的过渡工况 1系泊工况船舶在建成或修理后，为了检验主机的运转情况和操纵性能，需要在码头上进行系泊试验。在船舶系泊不动的情况下主机带着螺旋桨运转的工况称为系泊工况。这时船速为零，进程比P为零，图9-4中的扭矩系数K2达到最大值，螺旋桨特性曲线明显比正常稳定航行时陡，如补图9-3所示。图中曲线1和2分别为正常稳定航行和系泊试验时的螺旋桨特性曲线。线3为主机的全负荷速度特性曲线。船舶正常稳定航行时，主机与螺旋桨配合工作于a点，即在标定转速nH下发出标定功率NeH。系泊试验时，主机与螺旋桨配合工作于b点，其相应的转速nb和功率Neb均比nH和NeH明显减小。如系泊试验时主机转速大于nb，由补图9-3中可以看出，主机就会超负荷。因此为了保证主机不致超负荷，应使系泊试验时的转速不大于nb，若由于缺乏技术资料而无法确定nb值，则可取0.800.85nH作为试验时的最高转速。系泊试验时还应特别注意排气温度。当排气温度达到船舶在全速航行时的正常排气温度时，就应进一步降低试验转速。2起航工况船舶起航时，由于质量很大，船速从零缓慢增加。起航瞬时P为零，然后逐渐增加到正常航行时的值a，因此螺旋桨特性曲线在起航瞬时相当陡，如补图9-4中曲线P0所示，然后随着航速的逐渐增加而逐渐变缓，直到正常航行时图中曲线Pa的位置。起航时，如驾驶台要求的转速为na以上某一转速，由于这时螺旋桨按P=0工作，如将加油手柄推到相当于全负荷速度特性曲线的油门格数，主机转速达到na。这时工作点a一般位于等转矩限制线01的上方，使主机的负荷超过了限制。怎么避免这种情况呢？由补图9-4可见，P=0的螺旋桨特性曲线与转矩限制特性线01相交于b点，只要起航时主机转速不超过b点对应的转速nb，即可保证主机的转矩在允许的范围内。正确的操作应是，推动油门手柄使主机的起动转速小于或等于nb，待船速增加，螺旋桨特性曲线逐渐变缓，向曲线P=a靠近，才逐渐加大油门格数，使转速达到所要求的值。起动时推动油门手柄过急除了会造成柴油机机械负荷超过限制外，还会使受热零部件由于温度突然升高，受到过大的热应力而引起裂纹等故障。此外，如果推动油门手柄过急，每循环供油量很快就加大，而这时螺旋桨特性线仍较陡，主机转速较低，涡轮在单位时间内获能次数较少。再加上增压器转子有一定惯性，在加速过程中就会出现油多气少（过量空气系数太小）的情况。致使燃烧不良，热负荷过高，出现排气冒黑烟的现象。3加速工况船舶起航驶离港口后，需要逐渐加速以达到全速航行。此时，如轮机员操纵不当也会使主机超负荷。船舶在较低航速下稳定航行时，主机按部分负荷速度特性线工作，螺旋桨特性曲线a，配合工作点为1，对应的转速为n1。当驾驶台命令全速前进时，如果加速过快，立即将油门手柄推至标定位置。主机的工作曲线就由转到全负荷速度特性曲线。主机发出功率增加，螺旋桨转速迅速增加，但由于船的质量很大，船速还没迅速提高，因而P=VP/(nPD)迅速变小，螺旋桨特性曲线迅速从曲线a变为曲线b，工作点迅速从1移到2。此后由于推力大于阻力，船速逐渐提高，螺旋桨特性曲线随着P的逐渐加大从曲线b逐渐移向曲线a，工作点则沿着线从2逐渐移至2，达到新的平衡。在加速过程中，工作点是沿1-2-2变化的，其中1-2过程的时间很短，而2-2过程是船速逐渐提高的过程，时间相对较长，且位于等转矩线之上。也就是说，在这过程中柴油机大部分时间是在超机械负荷情况下运行的。在这种情况下正确的操作是：缓慢加大油门，使主机的转速差不多与船速 成比例地增大，这样船舶加速过程中工作点就接近于沿曲线12变化，柴油机就不会超负荷了。4转弯工况 船舶转弯时，舵要偏转一个角度，船体在斜水流中前进，船舶阻力有所增加。在相同螺旋桨转速下，船速会降低，进程比P减小，螺旋桨特性曲线变陡。当主机油门固定不变时，船舶在转弯中常发现主机转速自动降低，当转弯过程结束时，转速又恢复原来数值。所以在转弯时，若发现主机转速降低，不应去加大油门。如果主机装全制式调速器，在此情况下可能自动加油，这时要注意限制喷油量以防止超负荷。当船舶采用双螺旋桨推进，转弯时，由于船舶横移和转向，两个螺旋桨都在斜水流中工作，且水流速度和方向均不相同，从而使两桨之间的负荷分配不均，靠近转弯中心的内桨负荷增加要比外桨大，内桨的转速因而下降很多。而外桨在转变开始时负荷变轻，之后又逐渐增加，所以外桨转速开始升高，而后又下降。由此可见，采用双桨推进，当船舶转弯时，带动内桨的主机容易超负荷。考虑到这种情况，转弯时应该把主机的转速适当降低些，即应在低航速和较小舵角条件下进行转弯操纵。5倒车工况 船舶在港内航行，靠离码头或者遇到避碰等紧急情况时，常需改变主机的回转方向，使前进的船舶迅速停止下来，或改为倒航。补图9-6所示为主机倒车换向过程工况的曲线。图中横座标为转速的百分数。纵座标为转矩的百分数。曲线A、B和C分别为船在全速、半速和系泊情况下根据船模试验画出的螺旋桨倒转工况变化曲线。在主机的全部换向过程中，假定船速没有变化。 现在来研究船舶全速前进时，主机从正车改为倒车的运转情况（图中曲线A）。原先，主机和螺旋桨配合工作于标定工况点a，在接到倒车命令后，首先停止向主机供油，主机转速迅速下降，因螺旋桨的进程比P迅速增加，因此转矩迅速下降。当转速下降到b点（6070nH）时，螺旋桨的转矩为零。a-b为螺旋桨倒转的第一阶段。 在b点以后，由于船仍旧全速前进，螺旋桨被水冲击产生负转矩，象水涡轮一样带动主机仍按正车方向回转。此负转矩为主机运动部件和轴系磨擦损失所消耗，所以转速迅速下降。当螺旋桨转速降为3040nH时，负转矩达到最大值（点c）。在点c之后，转速再降低时，由于作用在螺旋桨上的水流偏离了产生最大负转矩的最佳方向，负转矩开始逐渐减小。当负转矩下降到与主机运动部件和轴系的磨擦阻力矩相平衡时，螺旋桨就停止转动（点d）。b-c-d为螺旋桨倒转的第二阶段，即水涡轮阶段。 在d点之后，倒车起动主机开始倒转（起动力矩必须大于此时螺旋桨的负转矩）。此后主机带动螺旋桨倒车转动，产生负的推力，对船舶起着制动作用。但此时船舶仍在全速前进，所以当倒车转速达4060nH时，轴系承受的转矩已达极限值MeH。 当船半速前进而主机开倒车时，螺旋桨转矩与转速的变化关系（曲线B）与全速时相似，只是负转矩值要小。当船舶在系泊情况下主机开倒车时，螺旋桨没有水涡轮工作阶段，因此不出现负转矩（曲线C）。图中D线为船全速前进时实际的螺旋桨倒转工况变化曲线，它已经考虑了主机在制动和换向过程中船速逐渐降低的情况。 必须指出，在主机换向过程中，一般都存在着螺旋桨的水涡轮工作阶段，特别是由“前进三”紧急开倒车时，螺旋桨的负转矩（点c）较大，如不进行倒车制动，只依靠主机运动部件和轴系的磨擦阻力矩来消耗螺旋桨的负转矩，则必须等船速下降很多之后，桨的负转矩已较小，并且与磨擦阻力矩相平衡时，轴系才能停转（n=0）。也就是说，图中曲线D上c-d段所需的过渡时间很长，船舶