第四章-推进系统的动力配合性能

,工程学院海工系,第四章推进系统的动力配合性能,引言,船舶航行时需要螺旋桨提供推力以克服船舶阻力，使船舶以稳定的航速航行，也就需要主机提供旋转力矩以克服螺旋桨的旋转阻力矩，使得螺旋桨在稳定转速下运转，这样，就构成船、机、桨的能量转换系统。,内容概要,4.1推进系统各部件特性4.2动力配合特性分析4.3推进系统动态配合特性分析4.4喷水推进系统特性分析,推进系统的动力配合特性,船舶推进系统由三大部件组成并相互配合共同工作，发动机输出的功率、扭矩通过推进器在水中的运动最终转换为克服船体阻力推动船舶运动的推进力。所以在船舶实际航行中，主发动机传动设备推进器船体组成了船舶运动的一个统一体系，实际是一个热能机械水动力系统，各个部件之间共同配合工作，特性相当复杂。,船机桨动力参数关系,主机传动螺旋桨船体转矩、转速变速变矩推力、速度阻力,推进系统的动力配合特性,当船舶做等速直线航行时，发动机和螺旋桨之间的动力参数有如下关系：（1）发动机转速ne和螺旋桨np相等或者称一定线性比i（传动机组减速比），ne=np；ne/i=np（2）发动机输出扭矩Me减去轴系和传动设备消耗的力矩Mf，等于克服螺旋桨阻力Mp，Mp=Me-Mf或Mp=Me*i-Mf（3）发动机的输出功率Pe减去轴系和传动设备的功率耗损或乘上传动效率，即为螺旋桨收到的效率Pp:,机桨动力参数关系,推进系统的动力配合特性,螺旋桨需要的功率是与船速相应的船体阻力所决定。螺旋桨和船体关系如下：（1）螺旋桨的进速Vp等于船速Vs与流体u之差，即Vp=Vs-u=Vs（1-w）（2）螺旋桨有效推力Te等于船体阻力R，Te=T（1-t）=R（3）螺旋桨收到的功率Pp后，通过自身在流场内的作用，发出船体阻力所需要的有效功率PR,船桨动力参数关系,推进系统的动力配合特性,由此可知，推进系统工作特性是发动机-传动机组及螺旋桨、船体在外特性方面的综合匹配，是他们之间功率、扭矩、转速、效率、推力和船速等参数在推进系统工作时的运动学和动力学关系。船舶在航行时的阻力、航速等参数不仅决定于船体尺度和线型，还取决于航行中的海况、风浪、激流及装载量等因素；航行中除了额定工况外，还有部分工况、船舶起航、加减速、倒车和转弯等操纵方式的变化；船-桨-机本身性能的不断变化等。,船机桨动力参数关系,推进系统的动力配合特性,因此，不同的外载荷、不同的运行工况、装置部件性能上的变化等，都会引起动力特性及其配合特性的变化，为此一般将推进系统的动力配合工作特性，分为稳态工作特性和变工况或动态工作特性。所谓稳态工作特性是指推进系统能量平衡情况下的船-机-桨工况配合特性，该工况下船舶是在所设计的线型、尺度和载重量下运行，气象条件和海况均为设计任务书所规定，桨直径和螺距均为设计值，主机输出功率和转速为设计值，航速也为设计航速。而动态工况则至少有一配合的特性或工作条件偏离设计值，则平衡受到破坏。,船机桨动力参数关系,推进系统的动力配合特性,研究推进系统动力配合特性的目的是：1）通过选择设计工况，合理选择船-桨-机的技术参数；2）比较各类推进装置特点确定各部件的型号、规格；3）分析已确定的推进装置在非设计工况下的工作能力和适应性，寻求比较合理的配合特性，以提高整个动力装置的技术性能和经济性能。柴油机外特性和工作范围传动设备工作特性螺旋桨推进特性船体阻力特性,船机桨动力参数关系,推进系统的动力配合特性,船用发动机的外特性与陆用发动机的外特性基本相同，但某些特性的含义和工作范围的规定有些区别。下图为柴油机外特性曲线簇。,柴油机外特性和工作范围,曲线4代表极限功率，pe超过110%，只能在试车台瞬间运行；曲线3代表全功率限制线，pe等于110%，在试车台只能运行1h，曲线2为使用功率限制线，只能短时工作3h；曲线1为100pe的额定功率线，允许运行12h，发动机欲长时间持续运行，pe小于100%，一般为85-90%。这些是柴油机速度特性的一些限制，称为船用柴油机的最高负荷限制。,推进系统的动力配合特性,柴油机的工作范围除最高负荷限制外，还有最低负荷限制。由于技术制造条件的局限，尤其是喷油系统和增压器，偏离额定工况点其性能会有明显变化，因而在部分负荷时规定了最低负荷限制线。对增压柴油机，喷油量少会造成各缸工作不稳定、工作循环不均匀、燃烧恶化、积碳增加，特别严重时排气温度降低，直接影响增压器性能，甚至不能正常工作。一般以55%额定功率为最低负荷限制线。,柴油机外特性和工作范围,推进系统的动力配合特性,船用柴油机还有最高转速和最低稳定转速限制，最高转速为额定转速的103%，最低稳定转速主要决定于喷油系统和增压器，转速过低、喷油雾化不良、压缩终点的温度压力降低、燃烧不良常常会使增压器无法工作，最终导致自动熄火。因而一般低速柴油机一般以30%为最小稳定转速，高速柴油机为40%-50%。另外，增压柴油机当转速降至85%以下时，若喷油量仍保持不变，会引起过量空气不足后燃严重，造成增压涡轮前排气温度过高，热负荷超过允许范围而引起事故，因而一般制造厂还规定了热负荷限制线，增压柴油机的速度特性图上，工作范围只能在一定区域内。,柴油机外特性和工作范围,推进系统的动力配合特性,传动设备的加速、变速和离合功能使船-桨-机配合发生变化或有所改善。船舶推进系统和车辆动力机械有类似的情况，即希望在重载工况、爬坡、加速等情况下，能使发动机全功率运行，以发出尽可能大的推进力或驱动力，传动设备可通过减速或变速改善这方面性能。下图反映柴油机经减速、变速后的牵曳特性。,传动设备工作特性,曲线1为等功率线，良好的牵曳性能就是在托载增加时，输出轴转速虽然被迫下降，但其输出功率不变，则扭矩提高，推进力增加。曲线2是柴油机未经减速后的Me-ne曲线，与等功率线在nH处相交。经一级减速后，Me-ne曲线与等功率曲线的交点就上升，即Me得以提高，柴油机仍发出全功率。,工程船采用双级以上变速，逐级提高输出扭矩，负荷严重时，仍能保持全功率。,推进系统的动力配合特性,螺旋桨的功能使吸收主机功率并将其转换为船舶运动需要的推进力，本身具有转速np，并跟船一起作轴向移动。螺旋桨相对于水的轴向前进速度称为螺旋桨的进速vp.,螺旋桨推进特性,进程比代表螺旋桨回转一周的轴向进程与桨径的比值。螺旋桨扭矩螺旋桨功率,螺旋桨推力和扭矩与转速平方成正比；桨功率与转速三次方成正比。,推进系统的动力配合特性,螺旋桨推进特性,对应一个进程比就有一条推进特性曲线，也对应不同的效率，同一转速下，进程比减小，扭矩增加，所需功率也增加，因此，进程比愈小，推进特性曲线越陡、效率愈低。,推进系统的动力配合特性,上述说明了几何参数已确定的螺旋桨在各个稳定工况下工作时的特性变化规律。螺旋桨几何参数不同时，其推进特性也不同。螺旋桨几何参数主要有桨径D，螺距比H/D和盘面比A/Ad等，D对推进特性影响最大，对同一直径的螺旋桨，其螺距H或桨叶展开面积A越大，产生的推力就越大，相应吸收的扭矩和功率也越大。,螺旋桨推进特性,由图可知，可调螺距螺旋桨的推进特性在运行中可以改变，当船体阻力条件不变时，即进程比为常数时，螺距没调节一次，特性曲线就变动一次，H/D变化越大，特性曲线越陡。,同一特性曲线，既可以看作螺距不变时代表某一船舶阻力条件下的特性，又可以视为船舶阻力条件不变时而改变螺距时的特性。,推进系统的动力配合特性,船舶航行阻力可以分为摩擦阻力、漩涡阻力和兴波阻力，三种阻力均随着速度的增加而增加。对于船型已定的船，各种系数随着船速变化而不相同，一般：另外在不同航速下各种阻力成分比例也不相同，同一条船低速时摩擦阻力占主要成分；而高速时，兴波阻力称为成为主要成分，漩涡阻力主要决定于船体形状和附属结构物，与船速关系不大。,船体阻力特性,推进系统的动力配合特性,对于排水型船舶，以摩擦阻力为主，其阻力与航速呈二次方关系。对于高速快艇、滑行艇以及水翼艇，阻力与速度变化较为平坦，这是因为船只进入滑行状态后兴波阻力大量下降的缘故。总之而言，阻力和速度的关系近似为二次方关系。,船体阻力特性,推进系统的动力配合特性,如上图所示，船体阻力特性大约与航速的平方成正比关系，不同阻力系数表示不同的航行工况，对于船体有效特性，因为所以功率与航速呈三次方关系。,船体阻力特性,动力配合特性,船舶航行时动力或推进力与外界阻力之间存在普遍规律，当发动机转速、传动比、传动效率、螺旋桨几何尺寸、阻力特性等初步确定后，便可利用这些关系分析推进系统化的动力配合特性，以确定可能达到的最高速度、加速能力等。为合理选择设计工况点和优选发动机及各部件提供依据。,动力配合特性,为了清晰而形象地表明船舶行驶时的受力情况及平衡关系，一般将前述关系用图解法来进行分析，也称之为工况配合特性分析。对于船舶，由于船-机-桨之间关系复杂，其中任一特性发生改变，必然会影响其他两者的运行状态，从而影响平衡，因此必须将三者联系起来，最便利方式即为将三者放在同一坐标系中研究。,因此船-桨-机的配合可简化为机-桨的配合来研究,动力配合特性,由图中可知，在一定条件下，船舶航速和螺旋桨转速之间存在一定的比例关系，如已知其中一个参数，即可求得另外一个参数，即采用不用的比例即可将其放在同一坐标系中，使之两者重叠。,动力配合特性,船体阻力特性和螺旋桨特性可以相互转化，船机桨三者配合可以简化为机-桨两者的配合来讨论，如4.12所示，曲线1为柴油机外特性曲线，而曲线2为螺旋桨推进特性，也包含某工况的阻力特性，因此，船机桨三者的特性配合变为机桨的配合，特性曲线1和曲线2的交点A即是机桨配合的平衡点，也是船机桨共同配合的平衡点。,动力配合特性,船桨机配合工作稳定性,A为机桨之间工作配合点，即运行设计点,无论外界负荷发生如何变化，若一旦消失，偏离会自动降低至零，说明该配合工作点是稳定的。,动力配合特性,船桨机配合工作稳定性,实际的推进装置常用传动机组，对于这类装置，可将齿轮等线性传动设备和发动机视为一体，主动扭矩只要扣除有关传动损失、乘上减速比即可。对于多台发动机驱动一个螺旋桨和轴带辅机之类的推进装置，在讨论配合工作特性前营作适当处理，基本原则：总的动力扭矩应是多台发动机输出扭矩之和，将各自转速通过改变比例关系后可进行简单叠加，扣除传动设备的传动损失后就得到总的动力扭矩和转速特性曲线。总的负荷扭矩应是螺旋桨阻力矩和其他负荷如轴带发电机、轴带辅机等扭矩之和，同理在扭矩-转速坐标系上改变比例关系，得到总符合扭矩和转速特性曲线。,单一的动力和单一的负荷问题总动力扭矩和转速特性线=总负荷扭矩和转速特性线,单机单桨推进装置的动力配合特性,设计点附近轻重载工况配合,可以看出，在额定推进线左上方为重载区，在右下方为轻载区，不论何种，螺旋桨均偏离了设计条件，推进效率有所降低，而发动机工况也离开设计条件，均发不足额定功率。,单机单桨推进装置的动力配合特性,系泊工况配合,系泊工况，即是船舶在系缆情况下，对推进系统运行试验，一般是试验之前，必须进行系泊试验，主要特征为：如左图，是系泊工况下桨特性线，由于热负荷限制曲线的约束，系泊工况下发动机的油门不得推至最大位置，一般控制在80%，短时间内加大油门，达到100%是允许，这时发动机冒黑烟严重，只允许连续工作几分钟。,单机单桨推进装置的动力配合特性,部分工况配合和发动机剩余功率,由于船舶航行的要求在外界条件和装载负荷不变情况下有时要降低航速，此时机-桨配合点将沿原推进特性往下移动，如图4.15所示B、C、D、F均是部分负荷下可能的运行配合点，显然这些配合点都符合条件：上述各工况配合点的转速和功率可参考油门位置来确定，在实际操作中，油门的手柄位置与几乎成线性关系。,单机单桨推进装置的动力配合特性,部分工况配合和发动机剩余功率,在部分负荷工况下，螺旋桨特性线与发动机外特性线之间存在一定差值，即柴油机能发出的功率和扭矩均大于螺旋桨所需的功率和扭矩。因此在部分工况下，发动机均存在部分潜力。这相当于车辆发动机在非最高车速情况下，可用作加速和爬坡的后备功率，然而对船舶来说，常称这部分没能发挥的功率为剩余功率。若不考虑发动机热负荷限制线的约束，对某一部分工况的配合运行点来说，剩余功率是一具体值。,单机单桨推进装置的动力配合特性,轴带负荷情况下机桨工况配合分析,单机单桨推进装置的动力配合特性,多速比传动推进装置的工况配合特性,2.单机单桨推进装置的动力配合特性5）多速比传动推进装置的工况配合特性,2.单机单桨推进装置的动力配合特性5）多速比传动推进装置的工况配合特性,通过以上分析，这种双速比传动的推进装置使得发动机功率得到充分发挥，基本可以达到全功率，因此无论自由航行还是拖带航行，发动机工况基本可以维持在额定功率。虽然在拖带工况时螺旋桨效率相对于自由航行时较低，但与直接传动或单速比传动的定距桨相比，其自由航行时桨转速或航速较高，这对高增压中速柴油机尤为适宜。从图中还可看到，采用第二级速比后，桨的最低稳定转速相应降低，工作范围的下限扩大了，或者说微速推进性能有所改善。,3.多机并车推进装置的配合特性,3.多机并车推进装置的配合特性,3.多机并车推进装置的配合特性,4.调距桨推进装置工况配合特性,4.调距桨推进装置工况配合特性,4.调距桨推进装置工况配合特性,1）调距桨基本特性调距桨推进装置的工况配合特性取决于下述三个基本特性。（1）调距桨推进装置在任何工况下均能吸收主发动机的全功率。对定距桨推进装置，当舰船处于重载或轻载时，由于受到发动机最大扭矩和转速的限制，发动机只好降功率使用。而对调距