船舶动力装置2

1、第七章 船舶推进轴系扭转振动及其控制 Torsional vibration and its control for ship shafting 7-1 概述 General Introduction 轴系振动有：扭转振动(Torsional vibration)、回转振 动(Rotary vibration)（横振-Transverse vibration）、 纵向振动(longitudinal vibration)。其中以扭转振动 为主，当周期性的交变力矩作用的频率与自振频率 相同时，将产生共振( resonance)。 我国“船规”规定220kW（300HP）以上的船舶都要 申报扭振计算

2、书(Torsional vibration calculation)。 一、扭振的概述 1、轴系扭振的成因及危害 轴系本身具有扭转振动的基本特性：弹性 (elasticity)与惯性(Inertia) 轴系承受不均匀的干扰力矩(Disturbance moment) 当扭转振动所产生的应力超过许用值时， 会对轴系产生极大的破坏作用。 二、船舶规范(ship specifiction) 三、扭转振动的基本概念 1、扭摆有阻尼的强迫振动 图示的单质量系统，轴只计柔度(flexibility)， 不计惯量(moment of inertia)，圆盘只计惯 量，忽略弹性。 稳态时 S+U+R+T=0

3、惯性力矩 moment of inertia 弹性力矩 moment of elasticity 阻尼力矩 moment of damp 干扰力矩 tMT CR e U IS sin ) 2 sin( 4)( )sin( sin2 2 1 0sin 22 1 22222 0 22 1 2 n n n nt n n n tgt n h tneA thn I M h I C n eI tMC e I 设 为自由振动时的解 (solution), equation of motion 无阻尼时，即n=0 0 22 11 sin( tneA n nt 1 2 2 2 22 2 22222 22 1 2

4、2222 2 011 )(4)(1 1 4)( )sin( ) 2 sin( 4)( )sin( nnn n n n n n n h n h A tA n tgt n h tA 放大系数 (amplification coefficient) amplitude)( 2 staticAMeIe I Mh st n 静振幅 ),( )()(1 1 222 n nn st f A A m 讨论： 2 2 1 12)4 1 1)3 0)2 10) 1 22 1 2 n n nn n n n n st n n tg eI Ie m m m AAm 时共振 下降可使或增大 影响最大此时阻尼对放大系数的

5、小结： 1）系统自振频率(natural vibration frequency)仅与 结构有关 2）强迫振动(forced vibration)频率与干扰力矩频率 相同，但由于阻尼存在，共振( resonance)时， 强迫振动的相位落后于干扰力矩相位/2，并产 生动力放大。 3）减振方法：增加阻尼，改变自振频率及改变干 扰力矩。 2、双质量系统(two mass system)的扭转振动 两质量均作简谐振动(Harmonic vibration)，频率相同， 初相位(initial phase)相等，振幅不同，惯量大的振幅 小，惯量小的振幅大，且振动方向永远相反。 1221 21 2 2

6、1 1 2 22 11 2211 12 21 11 21 121 )sin( )sin( 0 0 0 0 eII II I I A A tA tA II e I SS US n n 振型图Vibration chart A1 A2 e12 A1 A2 A3 A3 e12e23 A1 A2 O 单结 双结 单结 取A1=1，A2=-I1/I2，O为结 点(node)，振幅为0，应力最 大，双质量只有一个结点。 三质量系统有两个自振频率， 单结或双结，即两个结点。n 个质量就有n-1个振型，n-1个 自振频率。 7-2 推进轴系扭振计算 Torsional vibration calculatio

7、n for Propulsion shafting 一、推进轴系的模化(modelling) 模化原则rules： 1）以每一曲柄回转平面中心线为单缸运动质量的集中点 2）发动机输出端之后，以具有较大转动惯量部件的中心线作为 质量的集中点 3）对于轴系的转动惯量，当轴段较短时可以忽略或把它平均分 配到飞轮和螺旋桨的质量上 4）齿轮传动时，把主、从动齿轮的转动惯量按传动比合并成一 质量，落点在主动齿轮中心线上 5）两相邻集中质量之间的连接轴，按柔度作为该两质量中心的 当量轴段长 6）轴系中有弹性联轴器或气胎离合器时，应把它们的主、从动 部分分为两集中质量 7）轴系中有液力偶合器时为界，分成两个独

8、立的扭振系统 8）被发动机拖动的机械，转动惯量大的也要作一集中质量 c n n ( 二、多质量系统无阻尼简谐振动计算 Multi-mass system )sin()sin()sin( )sin()sin()sin( )sin()sin()sin( )sin()sin()sin( 11 ) 1( 22 )2( 11 ) 1 ( 321 ) 1( 1 )2( 1 ) 1 ( 1121 11 ) 1( 11 ) 1( 2211 ) 1( 11 22 )2( 22 )2( 2222 )2( 11 11 ) 1 ( 11 ) 1 ( 2211 ) 1 ( 11 nn n kkkk n n nn n n

9、nnn n nn n nn nn tAtAtA AAA tAtAtA tAtAtA tAtAtA ，高速机一般只考虑 轴段变形质量位移质量振动位移 离体取第一、二质量作为分 取第一质量作为分离体 ), 1() 1( )( 00 00 1 1 , 11 2 1 23222112323 23 32 22112321 111212 12 21 11121 kkkk Ie IeIIe e IIUSS Ie e IUS i k i ikkkk i ii 0 )sin( )sin( 1 2 1, 1 1 2 , 11 1 1 2 , 11 2 1 2 2323 11 2 1212 2 max 2 i n

10、i innn i n i innnnn i k i inkkkk i i in n nnn n AIU AIeAA AIeAA AIeAA AIeAA AtA tA 自由段： 对简谐振动 合适可认为所取 或 ，若值，得到试算一个取 n n in n i i in n i i n i ini nn AI AI AI AI AAAA %1 %5 ,1 1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 321 应力标尺 Stress scale 实际应力 Real Stress 11, 01, 1, 1, 1, 0 A W u kkkk kk kk kk 为减少累计误差cumulative error，通常采

11、用 无因次参数(dimensionless parameters)计算。 名称转动惯量 moment of inertia 柔度flexiciblity振幅amplitude频率 frequency 弹性力矩moment of elasticity 有因次IKeK,K+1AKn2 Uk,k+1=(AK+1-AK)/ eK,K+1 无因次K=IK/IS EK,K+1= eK,K+1/eSK=AK/AS=ISeS n2K,K+1=eSuK,K+1/AS 经过无因次变换以后，计算方程变为： 1=1 1,2= 1 1 2= 1- 1,2E1,2 2,3= 1,2+ 2 2 3= 2- 2,3E2,3

12、K= K-1- K-1,KEK-1,K K,K+1= K-1,K+ K K n= n-1- n-1,nEn-1,n n,n+1=n-1,n+ n n=0 三、轴系扭振的强迫振动计算 1、干扰力矩及其共振转速 柴油机动力装置，气体压力是不均匀的， 其所产生的扭矩也在变化，其它部件产 生的力矩不均匀性与之相比可不计。 n个质量系统的运动状态方程Motion equation of state用矩阵matrix可表示为： KKKK ABCM 设多缸柴油机第K个缸输出的扭矩为Mg（K） 为简谐系数(harmonic coefficient)， 对二冲程柴油机=1，2，3，12, 对四冲程柴油机=1/2

13、，1，1.5，10 ()() 0 1 2 sin() 4 KK g i MMMt MCD RCa pb 临界转速(critical speed)nc：共振工况下相应的发 动机转速。临界转速并不是只有一各。因为干 扰力矩的频率为，只要 =n就会发生共振， 所以临界转速通常要指明几结几次。 共振时： =n 若此时对应的转速为Nn， n=2 Nn/60 Nn=9.55 n 只要n= Nn， n就是临界转速nc n=nminnmax 2、干扰力矩所作的功 1）单个干扰力矩所作的功 22 00 sin sin() sin()cos()() 0 sin , 2 kk mk m mk mk TMt Am t

14、 WT dMt Am td t mW mWM A WM A 时,干扰力矩不输入功 时, 共振时,干扰力矩输入功最大 2）多个干扰力矩所作的功 假定各缸压力相同 M1=M 2= M 3=. 但各缸作用的时间不同，它取决于发火顺 序和发火间隔角，如果第k个缸与第一缸 的发火间隔角为1，k，干扰力矩相位差为 1，k 1 11 1 1 1 1 1 1 1 sinsin sin sin , 2 zz mkkkk kk kk z kk k z k m k z k m k z k k WMAM A WM A WM A ， 同一简谐振动形式下各质量初相位相同为 将变成矢量求和 发生共振时 称相对振幅矢量和 干

15、扰力矩基本矢量图(vectorgraph)特征： 1）矢量的个数等于气缸数 2）当=qk是为主简谐(key harmonic) ，相 应的临界转速为主临界转速，q为曲柄端 面图上曲柄数，k=1，2，3 3）q矢量图重复。 对V型机 为V型机夹角，为左右列同排编号气缸 发火间隔角 2cos 2 krk 3、用能量法求解强迫振动振幅（A1） 在进行强迫振动时假定(Assumption)： 1）共振工况是稳定的。即干扰力矩输入的能 量全部被阻尼所消耗 2）共振工况下，与系统自振频率不等的各谐 次干扰力矩所引起的振幅远小于与系统自 振频率相等的那一简谐干扰力矩所引起的 振幅，只考虑=m 3）共振时，引

16、起共振的干扰力矩频率与系统 自振频率相等，共振振型和对应的系统自 由振动振型相似，振幅按比例放大。 系统阻尼和阻尼功 2 2 0 222 111 1 1,2 4222 max 121 3 max sin cos 0.126 112 104.55 (0.1333)( /0.07) c kk k ck kpL z kk k ppnp MC Am t A mm t M dmc A RRR RAT A e Pa RnAT A nah D R c （） （） W 由于阻尼系数很难确定，阻尼功按经验公式计算 如果发动机、螺旋桨和轴段的阻尼功分别为、 67/37/3 ,131 5 1 227/3 11121

17、311 11 25 10 () j i i Lk k i i k kk K l uT A d RAT AT AT AM A AAA 这样就可以求出 、那么 4、用放大系数法求解强迫振动振幅（A1） 对单质量系统m=A1/Ast 在多质量系统中，放大系数m0表示系统 在一组具有相同谐次的干扰力矩作用下 产生强迫振动的振幅A1与将干扰力矩的 幅值作为静力矩作用在系统上同一质量 （第一质量）的平衡振幅Ast的比值。 静力矩所作的功=系统的弹性势能 m0= A1/Ast 一个循环静力矩所作的功为 弹性势能elastic potential energy z k k AM 1 1 2 1 2 1 2 1

18、 2 2 1 k n k kn IA 01 1 22 1 mAA I M A st n k kkn z k k st 第一质量的实际振幅可以比较容易的从实 船中测得，这样就可以确定放大系数。 根据实测资料和经验，各部件的放大系数 如212页表6-7 3210 1111 mmmm 四、非共振计算no-resonance 假定：1）非共振振型和自由振动振型相同 2）只考虑共振时的某一谐次干扰力矩 3）非共振情况下阻尼作用与共振时相 同 22 0 2 2 1, 1, 22 0 2 1 1 )()(1 )()(1 cc KKKK cc n n m n n n n m n n AA 7-3 推进轴系振动

19、的计算 一、简单回避法 划禁区 （0.81.05）ne不能划禁区 e c c c n n r n rn 16 18 185 16 二、调频避振法 1、改变系统的转动惯量I 通常是改变飞轮的重量，飞轮的转动惯量 增加，系统自振频率下降并使结点向飞 轮靠拢，桨振幅加大，桨阻尼大，消耗 功大。要考虑双结频率的改变。 Ie n 1 2 2、改变系统柔度 1）改变轴系长度，增加长度NI下降 2）加装弹性联轴器 3）增大轴直径 3、选定适当的螺旋桨惯量 三、增加系统阻尼 在系统中装阻尼减振器 某四冲程五缸柴油机（1-5-2-3-4-1）轴系模型 图如下，物理参数如表，nmin=40，nmax=105 序号

20、序号1234789101112 转动惯量转动惯量 kgm2 5.981.081.042.9132.91351.4630.61.1153.944 扭转刚度扭转刚度 Nm X10-5 8.2392.2150112.78169.660.50.550.29 求： 1） ，并画出相应的振型图 2）临界转速及及其对应的，并画出矢 量图 3）工作范围内是否存在主简谐。 第六章 推进装置工况配合特性 Characteristic Matching of Propulsion Plant Operation Condition 6-1 概述 发动机：加入燃料，输出扭矩 传动设备：输入扭矩，输出扭矩 推进器：输入

21、扭矩，输出推力 推进装置在能量支配下的共同配合工作所 反映出来的特性称推进装置工作特性， 即船浆机配合各种特性。 图6-1 当船舶等速直线航行时，发动机与螺旋桨之间参数 关系： 1）发动机转速ne和螺旋桨转速np: ne/i=np 2)发动机扭矩Me 减去传动设备损耗的扭矩MT，等 于克服螺旋桨转动的阻力矩: Mei-MT=Mp 3）发动机功率Pe与螺旋桨吸收功率Pp：Pec=Pp 螺旋桨与船体之间： 1)螺旋桨进速p等于船速s与流体速度之差： p= s-u= s(1-) 2）螺旋桨推力Te等于船体阻力R： Te=T(1-t)=R 3）螺旋桨吸收功率Pp与克服船体阻力所需功率PR Pp prs

22、=PT s=Pp t=PR 6-2船、桨、机的主要工作特性 Operation Characteristic of Ship, Propeller and Main Engine 一、 柴油机的工作特性Operation Characteristic of Diesel Engine The external characteristics of diesel engine e e e e e he e pC n P M nCp m inVp P 55.9 30 图6-2 图6-3 图6-4 MCR：柴油机长期持续运转的最大功率 Operation Range of Diesel Engine

23、 图6-5 二、螺旋桨的推进特性Propulsion Characteristics of Propeller 1、螺旋桨的基本特性Basic Characteristics of Propeller )( 2222 )(, 52 42 52 42 p p M T p p M T pMp ppT pp p p p pp p pMT pMp pT f K K Dn v K K DnKn vDnK Mn Tv Dn v D h fKK DnKM DnKT 图6-6 讨论 attention: 1）p ，situation:如柴油机突然加速，由于惯 性，船舶航速来不及上升，或船舶突遇风浪， 阻力增加

24、 R ，p KT,KM T,Mp Me 2) p ,如空载(idler)，轻载或顺水(downstream) R p KT,KM T,Mp Me 3） p =0, p =0 系泊工况(Mooring condition )， KT,KM 最大， T,Mp最大，为防止柴油机超负 荷，要求ne75%nH，这时p=0。 p的变化反映了螺旋桨负荷的变化，也就是船 舶推进装置外界负荷的变化。 2、螺旋桨推进特性 Characteristic of Propeller 1）稳定工况时 2）工况发生变化达到新的稳定状态时， p稳定在新 的值C1,C2,C同时变化为新值。 52 42 DnKM DnKT pM

25、p pT 3 2 2 2 1 55. 9 , p pp p ppp MTp p p Cn nM P nCMnCT constKKconstconst n v 图6-7 3)桨参数D，H P PMT MTDH MTDDKDK ,/ , 54 三、船体阻力特性Characteristic of Resistance 形式：摩擦阻力、兴波阻力、旋涡阻力 The friction drag, wave drag, vortex drag 船速低时，以摩擦阻力为主，船速高时， 兴波阻力为主 ，轻载 ，重载 pR pR sR s R sR aR aR va Rv P vaR , , 102 3 2 图6-

26、8 图6-9 6-3 推进装置在稳态设计工况的匹配 Match at the stable design condition 一、配合统一坐标Unified coordinate 稳态时，有效推力 32 2 33 22/1 22 )( pppp eeeee pRsRR ppp R T s sRpTe CnPnCM nCpPpCM nPvaP nRCnn a C v vaRnCT 这样，只要调整比例尺，就可以将p,np,ne重叠 在一个坐标图中的横坐标，Pe,Pp,PR重叠在一 个纵坐标，而船体的阻力（或阻功率）与螺 旋桨的推力（或推功率）可以相互转换，船 桨机的配合就转化为机桨配合问题。 图6

27、-10 图6-11 二、配合的基本原则Basic Rules of Matching 1、配合前的处理原则： 1）带传动齿轮箱with gearbox 将扭矩乘以传动比Transmission ratio ，转速除以 传动比，再与桨配合 2）轴带负荷Axial load ：先将负荷叠加成单一负 荷 3）多机并车multi-paralleled ：动力叠加成单一 动力特性 2、设计匹配点选择 基本原则：主机发出额定功率，桨的效率最高。 图6-12 图6-13 三、配合选择时要注意的问题Notes for matching 1、主机功率使用范围 图6-14 2、主机功率储备power reserv

28、ation of marine engine 1）海况储备(sea condition)：功率储备10 15%，转速储备3.55% 图6-15 2）主机能力储备(main engine contidion) 考虑到主机使用一定时间后，性能有所下 降，选配时，增大主机能力。 图6-16 图6-17 图6-18 图6-15 3、主机减功率输出（DMCR） 目的：降低油耗率，提高经济性 图6-19 四、无因次参数配合matching with dimensionless parameters 33 3 2 222 / / / / / / spRpe ppH ppH HH eHee sHss H vn

29、PPP nPPPP MnTTT nCnCnMMM ppp vvv nnn 功率 推力 扭矩 平均有效压力 船速 转速 6-4 船舶典型推进装置 稳态配合及工作特性 Matching and operation characteristic at stable state for topical propulsion plants 一、单机单桨 1、设计点附近的匹配特性 1 175.070.0185.080.0 00 11 1111 2 1 p pe sRp peHep pHp pppeHe pHp P np va Pppn PnMpp 系泊工况 轻载 重载 图6-20 2、部分负荷工况：船体外

30、界和装载负荷不 变，由于航行要求降低航速时的工况。 1 1 1 1 p e s P p n v 图6-21 剩余功率(excess power )：部分负荷时。主 机所能发出的功率与螺旋桨所需功率之 差。 3849. 0577. 0577. 0 577. 00 )( 3 max 3 P n nd Pd nnPPP p p pp FA e EA e 令 P p n 0.577 0.3849 图6-22 剩余功率 3、轴带负荷工况Axial load 若轴带负荷不超过3%的主机功率，不会对 主机容量的选配产生影响 图6-23 二、多机并车推进装置multi paralleled 图6-24 图6-

31、25 不同装置耗油率随功率的变化 优点： 1）经济性好：剩余功率小，耗油率低 2）主机维修方便 3）机动性好 4）操作性好 三、多机多桨推进装置 Multi engines with multi propellers 一桨工作时，两只桨为拖 航，双桨工作时，一只桨 为拖航，使实际桨特性变 为图中虚线位置。 优点： 1）剩余功率小，经济性好 2）机动性好 图6-26 四、调距桨推进装置CPP H/D: Ratio of pitch to diameter 图6-27 图6-28 图6-29 1）在任何航行工况下主机均能发出额定功率 图6-30 2）在部分负荷下可获得转速ne及H/D的最 佳匹配经

32、济性最好的ne和H/D匹配为gemin对 应的转速ne和pmax对应的H/D的匹配 图6-31 3)主机转速不变，则改变H/D可获得不同的 航速，可以使船舶微速航行或倒航 图6-32 图6-33 第八章 柴油机动力装置经济性 Economy of Diesel Propulsion Plant 8-1 概述 一、定义 动力装置经济性指船舶动力装置在正常运转状 态下，年运量与营运开支之比。 营运开支：动力装置折旧费(Depreciation )，燃 油、滑油费用，工资、维修费等 二、柴油机动力装置的热平衡及效率 1、热线图(Thermal diagram )：反映动力装置主 要机械设备能量产生及

33、分配图 图8-1 最简单的热线图 2、热平衡heat balance 输入动力装置能量=机械功当量+电功当量电+蒸 汽热当量+排气热量+冷却热量+其它 3、热效率heat efficiency ME AB ME AE AD ADrpcmi ME AB ME AE rpcmie H pAB H pAE H pME H p rpcmi H pMET H p T e B B B B B B B B QBQBQBBQ QBP BQ P 1 1 1 1 3600 3600 附加效率 4、提高动力装置有效热效率的方法 Method to increase the efficiency of the pow

34、er plant 1）提高主机热效率increase the efficiency of main engine 2）提高推进效率increase the propulsion efficiency 3）选用高效率的辅助机械几采用废热回收提高附加效 率 increase the additional efficiency 4）改变船舶的操纵different operation modes。实行经济 航行。经济航速并非船舶最大盈利航速。 图8-2 8-2 提高装置推进效率 The way to increase the propulsion efficiency 推进系数Ct=cprs 其中影

35、响最大的是p 提高推进效率的措施 1）采用大直径螺旋桨 2）采用导管螺旋桨Ducted propeller 3）采用先进的船形设计，提高船身效率 hull efficiency 4）合理的船、机、桨匹配 一、采用低速大直径螺旋桨 理想螺旋桨效率 推力载荷系数 Thrust load coefficient D，A，T，vs不变时，Tp1 2 1 2 1 11 2 S T T p Av T 二、合理的船机桨匹配 许多柴油机有减功率输出，可以降低油耗 率，提高积极性。 步骤： 1）由船舶初步设计确定的Dp，np及H/D的 主机常用功率CSRMCR（CSR/0.9） 2）绘制等船速功率曲线图 功率减额系数与船型有关 )( 0 0 e e ee n n PP 图8-3 3）绘制待选主机的减额功率输出区 4）确定DMCR 原则：a）np,p,经济性好，但受Dmax限制 b) np ,ne ,ge，主机经济性提高 c）最终以每日耗油总