船舶动力系统

1、船舶动力系统,第二章 柴油机（4）,柴油机特性：柴油机的主要性能指标和工作参数随工况而变化的规律,柴油机特性,表征柴油机运行状态的主要工作参数： 转速n 进气压力pa 增压压力pk 最高爆发压力pz 排气温度tr 冷却水温度tw 增压器转速nT ,柴油机主要性能指标： 平均有效压力pe 有效功率Pe 有效转矩Me 有效耗油率ge 有效热效率e ,研究柴油机特性的目的 （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柴油机性能改进 （4）检测柴油机的状态,船舶柴油机的工况 指某条件下的工作状态。被驱动的设备不同，柴油机所处的工况不同 发电机工况：拖带发电机。要求，柴油机转速

2、n不变或变化很小，负荷根据需要从零变化到最大： 主机工况： 直接拖带螺旋桨。要求，柴油机负荷和转速都在一定的范围内变化，且满足Pe=cn3（近似） 其它工况：拖带调距桨、船上应急空气压缩机、船上应急消防泵、陆上的车用柴油机柴油机转速和扭矩变化范围都较大，且各自任意变化，相互之间没有一定的依赖关系。,几种柴油机特性 速度特性：pe不变（喷油量不变），n变 负荷特性：n不变， pe变 推进特性：以螺旋桨为负载。n和pe均变，满足Pe n3 限制特性：为保证柴油机安全而对柴油机的负荷加以的限制,柴油机速度特性,保持柴油机油杆位置不变，改变负荷，测量得到，（运行指标-n）、（工作参数-n）曲线，称为速

3、度特性 在柴油机试验台架上测量得到，无法在船舶使用条件下测量 柴油机装配完毕之后，经过试车、磨合和调试，使各缸功率达到平衡并把喷油提前角调整至最佳值，才进行试验。在试验过程中，润滑油和冷却水的温度和压力应始终保持在最佳状态。 速度特性反映了性能参数随转速的变化规律，与使用条件无关,根据喷油泵油量调节机构固定的位置不同（即每循环供油量不同），柴油机速度特性可分为 全负荷速度特性，又称外特性 超负荷速度特性 部分负荷速度特性,全负荷速度特性（外特性）,测量方法： 建立标定工况 ： 开空车，使柴油机达到标定转速，通过测功器逐步增加柴油机的外负荷，同时相应加大油门，使机器发出标定功率，此时轴上的转矩为

4、标定转矩。固定油量调节杆，记录该转速下的各性能参数 调节测功器，增加负荷，降低转速： 使柴油机在（标定转速最低稳定转速）之间各个不同的转速（一般68个测试点）下稳定运转 ，测量并记录某转速下柴油机的各性能参数,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。是最大持续功率的110。 可作为商船的超负荷功率 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

5、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。 船舶柴油机用它来标定功率，并同时标定其相应转速 通常所说的标定功率就是指这种功率，标定工况指这种功率及其相应转速 根据国家标准对每一台柴油机都应按用途特点，在柴油机名牌上标明上述四种标定功率中的两种及其相应的转速,国外船用柴油机常用的几种功率（工况）名称MCR（Maximum Continuous Rating）最大持续功率，同时标有相应的转速。船舶主机的柴油机在长期运转中使用的最大功率SMCR （specified maximum continuous ratin

6、g ）：约定工况点，一般是标定点CSR（continuous service rating） ：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。一般从经济性方面考虑，一般是80-85%标定转速,超负荷速度特性,我国船用柴油机标准规定，船用柴油机的超负荷功率为 110 %标定功率，对应转速为 103 %标定转速 在 12h 运转期内允许超负荷运转 lh，且排气不冒黑烟。 柴油机达到超额负荷功率和相应的转速（发电柴油机时为标定转速；主机为 103%标定转速）。此时油量调节机构所处的位置为实际运转中允许达到的极限位置为

7、使柴油机运转中，供油量不超过极限位置，实船上的柴油机均在这一位置上设置限位块,按超负荷速度特性工作，柴油机是处于超负荷下工作，气缸内温度、压力很高，机件受到热应力和机械应力大 运行时间 lh，一般只允许在必要时短时间运转,测定方法：超负荷速度特性与全负荷速度特性相同，只是油门固定在 （103%标定转速，110 %标定功率）或（标定转速，110 %标定功率）所对应的供油量位置上，测得超负荷速度特性线,部分负荷速度特性,喷油泵油量调节机构固定在比标定功率油量小的各个位置上，可测得到柴油机的部分负荷速度特性,柴油机速度特性分析,全负荷速度特性:曲线1, a点 标定工况点 超负荷速度特性:曲线2 部分

8、负荷速度特性：曲线3、4、5，标定功率*(90、75、50）,循环供油量大、转速高时，有效功率Pe大； 柴油机转速范围内，每种供油量，均存在一个最经济的转速ngemin，此时有效耗油率ge最低,1：超负荷速度特性 2：全负荷速度特性 3、4、5：部分负荷速度特性,相同转速、不同供油量时，标定供油量的gemin最小 柴油机按部分负荷特性运行时，燃油消耗率ge较大经济性较差,1：超负荷速度特性 2：全负荷速度特性 3、4、5：部分负荷速度特性,6300C型柴油机 全负荷 速度特性曲线,1）扭矩Me的变化情况 理想：每循环供油量不变时，Me与转速无关，水平直线 实际：Me-n线中间凸起，扭矩最大 低

9、速时，每循环时间较长，气缸与活塞间漏气和散热损失明显。而且低速时，喷油泵柱塞运动速度低，泄漏量也较大，每循环的供油量较高速时小，所以转矩较小； 高速时，换气恶化，燃烧不良，摩擦损失大，因此转矩也会稍低 最大转矩Memax所对应的转速nMemaxnH。,Me=Cpe,2）有效功率 Pe的变化 柴油机的有效功率与转矩和转速的乘积成正比。Pe近似一条斜直线。 全负荷速度特性曲线Pe =f(n)曲线反映了柴油机在不超过标定供油量的条件下，各转速下所能发出的最大有效功率 实船工作时，机舱环境温度高，排气管路长，阻力大、各种航行条件等影响 长期运转中使用功率= 85%95%标定功率 （如果仍按试验台上所测

10、得的标定功率工作，柴油机超负荷）,Pe=Men,柴油机的速度特性图,6300C型柴油机 全负荷 速度特性曲线,3）有效耗油率ge的变化 开始时，ge随转速n的增加而减小，当转速增大到一定程度后，由于进气阻力增大，进气量减少，而摩擦损失随转速升高而有所增大，所以有效耗油率又随转速的增高而微微有所上升 最低耗油率gemin所对应的转速ngeminnH 有效耗油率曲线中，若最低耗油率段比较平坦说明柴油机在较宽的转速范围内都能获得良好的经济性,限制特性,在柴油机运转中，过热、过载均会导致设备损坏柴油机工作时，其机械负荷和热负荷应进行限制，防止 出现过大的扭矩、惯性力矩、热应力 柴油机的限制特性：限制柴

11、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出规定的允许范围,限制柴油机的最大有效功率，可通过两方面实现 限制最大机械应力（最高燃烧压力pz、平均有效压力pe、曲轴扭矩Me ） 限制最大热应力（过量空气系数 、 排气温度tr、涡轮增压器转速nT 等） 较为常用的是限制最大的Me和tr,等扭矩限制特性,船用主推进柴油机，常通过扭矩限制柴油机的最大输出功率,以避免柴油机曲轴因机械负荷过大而损坏柴油机在各转速下运行时Me MeH（标定转速、标定功率下的扭矩 等转矩限制特性曲线：通过坐标原点和标定工况点的直线,等扭矩限制特性线oa主机应在等扭矩限制特性曲线以下区域工作保证曲轴机械负荷

12、不超过允许值,柴油机的速度特性与等转矩限制特性,c点，超负荷工作 调节油量调节杆减少供油量，使工况点移到d ，按部分负荷速度特性曲线3工作 柴油机按部分负荷特性曲线2运行，工作转速=nb 不同转速时的每循环供油量必须正确调整,等排气温度限制特性,柴油机的热负荷与气缸内的过量空气系数有直接关系 柴油机在各种转速下保持 H（标定转速、标定负荷过量空气系数值）热负荷不会超出规定值。然而，柴油机在实际运转中的 值难以测定，且保持值不变困难实际，常采用平均排气温度tr代替限制柴油机的热负荷 平均排气温度不能准确表现各缸热负荷的情况，只能大致反映柴油机热负荷的大小,等排温限制线：各转速下保持标定工况点的排

13、气温度不变时，功率和转速的变化关系线，曲线 1 线2：等扭矩限制线 3：柴油机限制特性,转速下降初期，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,柴油机推进特性,柴油机推进特性：柴油机依螺旋桨特性工作时,各主要性能参数随转速而变化的规律称为柴油机的推进特性 柴油机驱动螺旋桨时，主机功率随转速变化的规律就是螺旋桨吸收功率随转速变化的规律. 柴油机推进特性在试验台架上测试得到,柴油机作为船舶的主机，带动螺旋桨工作时，主机和螺旋桨保持能量上的平衡,螺旋桨的水动力特性,当船舶定速航行时， 一定，KT、KM为常数 进程比：螺旋桨每转一转产生的位移与螺旋桨直径D之比,当螺旋桨结构参数、运

14、行状况确定时，有,螺旋桨特性,螺旋桨功率与转速三次方成正比,因为，柴油机作主机带动螺旋桨工作时，主机功率=螺旋桨所需功率 所以，主机所发出的有效功率Pe与转速n的关系也遵循三次方的规律，即Pe=Pp=Cn3,根据P=cn3关系，可算出主机在各种转速下的对应功率百分数，其值如下表,转速 功率 (1.03)3=1.1 (1)3=1 (0.965)3=0.9 (0.91)3=0.75 (0.795)3=0.50 (0.63)3=0.25,推进特性曲线的测量方法 在柴油机工作范围内，建立标定点 根据柴油机的标定功率、标定转速的值，按公式Pe=Cn3计算出各标定点对应的转速和负荷 建立各标定工况，记录相

15、应数据 以转速n为横横坐标，以记录的性能参数、运转参数作为纵坐标，绘制成曲线,曲线I是柴油机的推进特性，曲线上的点对应 在不同油门位置，主机发出的功率-转速,主柴油机的推进特性,调速特性,当调速手柄固定在某一工况位置时，负荷从零逐渐增加到最大值（或相反过程），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,1：全负荷速度特性,只与调速器的工作性能直接有关 试验方法： 满足保准试验条件时，先在标定转速和标定负荷下稳定运转。卸去全部负载，使其转速达到最高空载转速，逐步增加负荷到标定负荷，记录各测试点的参数,柴油机允许工作范围,船用柴油机允许工作范围由四个方面来限制 最大功率：等转矩限制特

16、性、等排温限制线柴油机在运转中功率负荷、热负荷、机械负荷的最大允许极限 最小功率：柴油机在各种转速下允许达到的最小功率。喷油系统和增压系统要求限制最低负荷 负荷 喷油少气缸工作不稳定燃烧恶化，积碳严重排气温度低增压器不工作,最高转速：标定工况点的调速特性曲线5 最低转速：按推进特性曲线工作的最低稳定转速曲线10来限制的,柴油机的负荷特性,柴油机的负荷特性：当转速保持一定时，各性能参数随负荷（pe）变化的关系 装有全制式调速器的船用主机在给定某一转速下运转情况，带发电机的柴油机可认为按负荷特性工作的,测量方法： 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

17、不同负荷（25、50、75、90、100、110Pb），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。 记录的性能参数、运转参数作为纵坐标，Pe（或pe）为横坐标绘制成曲线,负荷特性较容易测得，在柴油机调试中，常用来作为性能的比较标准。 例如选择喷油提前角、喷油器开启压力、柴油机与增压器配合、进排气道尺寸等不同值进行调试，用测得的负荷特性来比较优劣。所以，有时称之为调整特性,随负荷增加过量空气系数减少（随着负荷的增加，每小时供油量增加，but转速不变，则进气量变化不大，=实际空气量/理论空气量） 随着供油量增加，放热量增多排气温度Tr、排气烟度都增加 低负荷时增加缓慢；高负荷时，由于减少，混合气形成恶化，引起燃烧不完全，烟度增加较大； 如果再继续增加供油量，则产生大量黑烟，功率反而下降，因此柴油机在任一转速下的负荷特性有一个冒烟极限,由于柴油机的机械损失主要与转速有关，所以在转速不变的情况下，机械损失变化不大，因此随负荷增