第五章船、机、浆工况配合特性()

第五章船、机、浆工况配合特性§5-1基本概念§5-2

船、机、桨的基本特性§5-3船、机、桨的能量转换与配合性质§5-4典型推进装置的特性与配合§5-5船、机、桨在变工况时的配合§5-1基本概念船舶主机、螺旋桨和船体三者是一个能量的平衡系统。主机是能量的发生器，螺旋桨为能量的转换器，后者将主机发出的旋转能转换为推进能使船体运动。船体为能量的需求者，螺旋桨的推进能用于克服船体的运动阻力。一、船、机、桨三者的能量关系1、特性

船、机、桨三者的合理配合，可使能量得到最佳的转换。转换的理论基础就是能量守恒与转换定律，即船、机、桨系统的相互平衡。这种平衡表现在两个方面：运动的平衡关系和动力的平衡关系。这些关系由它们三者各自的特性所决定。二、特性、配合与工况船体特性：阻力一航速或有效功率一航速特性曲线。主机特性：转矩一转速或有效功率一转速特性曲线。螺旋桨特性：螺旋桨转矩一螺距比和进速系数的关系和螺旋桨推力一螺距比和进速系数。2、特性曲线所谓特性曲线，就是把船、机、桨三者随转速变化的一些技术、经济参数，分别或集中地用图表示出来，以了解它们的变化特点、配合关系和工作范围等。3、配合点在某一工作条件下，船、机、桨三者的转速与能量均相等的点称为“配合点”，也称“平衡点”、设计负荷平衡点，此时，船舶是在所设计的线型、尺度和载量下运行，气候和海面状况均是设计任务书所规定的，主机的输出功率与转速也是设计所要求的，船舶按设计航速运行。4、推进装置的工况推进装置的工况，是指船、机桨三者配合工作时的运转状况，包括：以转速n为变量的工况以负荷Pe(或轴的扭矩Mp)为变量的工况以n（或Vs与Ve或Mp）并同时均为变量的工况5、变工况尽管船、机、桨的工作条件千变万化，但可归纳为两种类型：设计负荷平衡点的工况与偏离设计负荷平衡点的工况。后者我们称之为变工况。影响工况的因素：船舶航行条件的变化操纵方式的变化船、机、桨自身性能的变化，如主机变旧;设计时对轴系传动系数估计不准;零部件制造工艺上的误差;船舶的污底;螺旋桨直径及螺距比的变化等。6、研究特性、工况与配合的目的合理地确定设计平衡点的负荷，使能量供求平街，不应供大于求或求大于供。船舶的种类、用途及运行方式复杂多样，如推、拖船和渔船常出现往返负荷不平衡的情况；工程船和渔船常要求轴带某些机械设备及微速航行；港作船要求操纵灵活，某些航行于复杂航道的船，要求带紧急制动装置；破冰船要求制动保护装置等。这些都要求有相适应的推进装置及螺旋桨(定距或变距)等。只有掌握了船、机、桨的特性及它们的配合关系，才能对它们进行合理的组合、选优，以提高其经济效益及满足使用要求。通过分析各种工作条件下船、机、桨的特性及配合情况，不仅能揭示能量转换过程中各特性参数的变化规律，还可以了解其运行的经济性及适应性.以及它们的工作范围和限制。进而找出最佳参数和转换方式，得到一个具有最佳营运经济性和投资效果的设计方案，并且能够合理地进行管理.柴油机在运转过程中变化的主要参数为转速和有效功率(或平均有效压力、或转矩)。1、柴油机的有效功率柴油机在气缸中单位时间内所作的功称为指示功率。指示功率减去消耗于内部零件的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机械损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率称为有效功率Pe，下式中Me为有效扭矩。§5-2船、机、浆的基本特性一、船舶柴油机的基本特性

对于型式一定的柴油机，如果忽略柴油机的喷油泵性能、扫气性能及机械效率在不同转速时的变化。可近似地认为:当柴油机的供油量一定，仅其转速变化时，Pe随转速成正比变化2、柴油机的特性当柴油机工况发生变化时，柴油机的性能及主要参数随工况改变相应变化。所谓柴油机的特性，就是指柴油机的性能指标及主要参数与运转情况之间的变化关系，主要有：速度特性、负荷特性、调速特性、万有特性及减额功率输出特性、限制特性、推进特性等。

1）速度特性(外特性)

柴油机运转中，只改变转变n，而平均有效压力Pe保持不变，这种运转特性称为速度特性或外特性。

它表达柴油机的技术经济指标随转速或航速的变化关系，通常用以表示主机的工作性质。根据油泵齿条固定的位置不同，外特性分为以下几种：1h功率特性12h功率特性标定外特性：指将油泵齿条固定在标定功率相应的供油量位置的速度特性，有的船用低速柴油机往往将标定功率所对应的供油量，作为最大供油里，并在油泵齿条上加以限制，其相应的输出功率及转速(即MCR点)，可作一般船舶螺旋桨的设计负荷点。

MCR称为NMCR，即nominalmaximumcontinuousrating，指某一机型所能达到的最大功率。而实际根据船的推进特性选取主机机型时，所实际采用的最大持续功率（SMCR，specifiedMCR），不能大于NMCR.另外，还有一个CSR：Continuousservicerating，即常用功率点，一般为SMCR的85%部分外特性：指供油量固定在小于标定功率(如90纬,75%,501等等)供油量的各个速度特性。下图中线5为螺旋桨推进曲线，线6为柴油机有效耗油率ge随转速的变化曲线，可见:①平均有效压力pe与有效功率Pe随供油量增加而增大;②在供油量一定时，Pe与n成正比变化;③柴油机按推进特性运行时，转速愈低，ge愈高，当转速接近标定转速nH时，ge值较低。外特性的实用意义，首先是确定柴油机允许工作的最高负荷限制线，其次是用于分析机带桨工作时的匹配情况.2）调速特性在调速器作用下柴油机的功率、转矩与其转速的关系叫做柴油机的调速特性。调速特性曲线3）负荷特性负荷特性是指在某一固定不变的转速下，柴油机的性能参数随负荷Pe变化的规律。负荷特性的实际意义：确定非增压柴油机的标定工况使负荷特性易测定，常在柴油机调试、改变设计时用作检验调试效果，所以又称之为调整特性作为带发电机工作的特性测出不同转速的负荷特性，用于制取万有特性等，负荷特性可与速度特性综合出其它任何一种实用工况的特性4）万有特性

在柴油机的运转范围中，在同一转速下用几个不同的喷油量作试验，并将有关结果记录下来；再分别固定各档转速，供入不同喷油量；进行行试验将结果按P、n、ge、QD等参数整理绘制成图，即得万有特性曲线，如图所示5）柴油机的推进特性当柴油机作为船舶主机带螺旋桨，按螺旋桨特性（P=cn3）工作时，为柴油机的推进特性。推进特性的实际意义：根据柴油机的工作能力合理地设计、选用螺旋桨确定使用中功率与转速的配合点确定推(拖)船舶在各种工况下的负荷用以确定船舶的经济航速6）柴油机减额功率输出特性降低柴油机的耗油率的方法之一就是提高气缸内的最大爆发压力Pmax与平均有效压力pe的比值。Pmax是柴油机结构强度的设计依据，在设计时已确定，而柴油机的功率是否Pe和转速n的乘积成正比，一般把最大待续功率点(MCR)时的pe值降低，作为新的标定点，而此时的Pmax仍维持与MCR相对应的值不变，这样就提高了Pmax与Pe的比值，实现了比MCR低的燃油耗率。船舶在航行时，受到空气和水这两种介质的阻力。一般民用船舶的阻力，以摩擦阻力为主。水对船体的总阻力与航行速度的m次方成正比即：若航速为Vs时，其船体总阻力为R，则直接用于克服船体阻力所需的功率PE为二、船舶航行阻力特性船舶螺旋桨推进特性主要反映螺旋桨的推力T和扭矩Q、推力系数KT、转矩系数KQ，以及桨的敞水效率等随船速和进速系数J的变化关系。式中：三、船舶螺旋桨推进特性如右图所示KT、KQ及其随J变化规律和关系。在给定船舶中，其桨径为定值，J仅随Va/n而变化，当Va/n为常数时，KT、KQ为定值，故桨的有效推力Te和转矩Q与转速的平方成正比，即螺旋桨所需的功率可写成：式中的Q用上页公式代入可知Pp与转速的立方成正比左图示出了在不同进速J时，T（Q）和Pn与n之间的函数关系，可知：当n一定时，随J的减小，T（Q）和Pp均要相应增大：J保持不变时，T与Q两参数均随n的平方成比例关系。在船的阻力特性是用其随航速的变化关系来表示的，螺旋桨及主机的特性则是用其主要技术参数随转速的变化关系来表示的。因此，必须了解航速与转速之间的相互关系，建立两者能够相互转换的关系式。船舶在稳定工况航行时，螺旋桨产生的有效推力和船舶阻力R是相等的，即：四、航速与转速的转换关系故由和可得对于已设计建造的船舶，其线性与尺度是已定的，当船舶的航行状态也保持一定时，上式的系数AR、CT可看成常数。

令，则n=KVs，即为航速与转速的关系。§5-3船、机、浆的能量转换与配合性质船舶主机的功率在传递至螺旋桨的过程中，有一系列损失THP(推力功率)DHP（收到功率）SHP（轴功率）BHP持续功率

IHP指示功率一、推进装置机械能的传递过程指示功率：在标准环境状况下，最大持续输出工况时，柴油机所发出的功率。二、推进装置功率转换计算持续功率：指柴油机在标定转速及标准环境状况下所输出的持续运转的最大有效功率。也称为额定功率。在非标准状况下，可由下式计算：轴功率螺旋桨收到功率推力功率船体有效功率1、工作区域的划分螺旋桨的设计负荷点，或主机的最大持续输出点，均要求两者能在所允许运行的工作区域选取一个机、桨合理配合的设计工况点。不同的机型其工作区域划分范围是有差别的。三、机、桨的配合性质2、螺旋桨设计负荷点的确定螺旋桨的设计负点是指机、桨额定工况的配合点，它与设计时所选定的机、桨特性曲线有关，将它们的性能曲线示于同一个功率-转速特性图上，其交点即为配合点。理论上，此点是通过100%Pmc、100%Pe和100%nn的MCR点；但在实船营运过程中，这个配合点往往会发生变化。3、储备的主要方法功率储备法转速储备法阻力储备法

除这三种方法外，有将阻力增加某一百分比，又对在100%转速时的主机打一定折扣来设计螺旋桨；也有在设计时先不考虑储备，待算出螺旋桨参数后凭经验适当加以修正。§5-4典型推进装置的特性与配合1、基本原理忽略传动机组及轴系的传动损失，柴油机所发出的功率PD须等于螺旋桨所吸收的功率PP。柴油机的特性PD=cn和螺旋桨的推进特性曲线Pp=Cpn3变化规律不同，在某一稳定工况条件下，两者的配合只能在一点相交。一、单机单桨直接传动2、单机直接带桨的特点它是由一台柴油机，通过油系直接带动螺旋桨的推进装置。其特点是Pmc=Pp；MD=MP；nD=nP这种主机与桨直接连接的装置，只要通过改变油门，主机的平均有效压力Pe就会变化，并使转速发生变化，使二者获得新的配合。3、配合特性1）机配桨工作的配合假定船舶在按其所要求的航速正常航行，其机桨配合点在某处，在外界条件不变的情况下，若要求船速大于正常航速，只要加大油门，使主机的Pe增加，主机和螺旋桨的转速就会增加，配合点也会移动至相应点，这样船速就快了。反之，也可实现减速航行。2）桨配机工作的配合柴油机直接带桨，无论桨重或桨轻，其功率均会降低，故这种柴油机直接带桨的推进装置，适合于工况改变较少的船舶。1、特点柴油机的功率是通过减速齿轮箱后传送给螺旋桨的。如忽略功率在传递中的各种损失，则：2、特性具有节能效果二、减速齿轮箱传动1、特点由两台主机各自通过离合器后共同经过减速齿轮箱带动一个螺旋桨，即：三、双机并车2、特性如右图所示，B点为一台机开全功率时与螺旋桨推进曲线的配合点。在B点以下由于螺旋桨所吸收的功率本来就很小，如果仍开两台，就会造成耗油率的增加；如果只开一台，功率就得到较充分利用，耗油率也相应变低。1、装置特点单机功率是通过齿形带轮经离合器减速齿轮箱驱动双桨的。2、特性其实际推进曲线将变陡，主机的负荷也偏离额定负荷较远，一般耗油率也高，故非必要情况，一般航行均不使用。四、一机分车传动1、装置简图运输船舶采用的多机多桨装置中，多数为双机双桨推进装置，如图所示：五、多机多桨传动2、特性操纵性较好生命力较强所采用的单机功率较小，这在机舱尺寸受限制时是有意义的，它有利于采用中、高速柴油机实行减速传动适应性较强§5-5船、机、桨在变工况时的配合船舶在建成或大修下水后，或是在试航以前，都要作系岸试验，以检验装置的设汁、安装和调试工作是否符合要求。机、桨在船舶系岸(不运动)的情况下运转的工况，称为系泊工况。

一、系泊工况可见，在系泊工况时，配合点B处的功率PB比额定值Pmc小得多，其转速也比标定值低，通常nB=（0.80---0.85)nn，并且发生在OA左侧的短时工作区域，故在做系泊试验时，必须充分顾及这一点，不能把主机转速开到标定值，否则主机将发生超负荷运行，并可导致某些机务事故右图中，曲线1为螺旋桨设计状态的推进特性曲线；曲线2是系泊时桨的推进特性曲线，OA为主机标定外特线；A为标定设计工况的机、桨配合点；B为系泊工况的配合点。过渡工况主要反映船舶在起航、加速、转弯、制动与倒车等变化过程的动态特性。机、桨在这些工况下工作和配合，条件往往比较恶劣，容易发生超负荷现象，驾驶和轮机人员操作时必须特别注意。二、