第五章船机桨工况配合特性.pptx

Company Logo1、基本概念、基本概念一、一、船、机、桨三者的能量关系船、机、桨三者的能量关系 船舶主机、螺旋桨和船体三者是一个能量的平船舶主机、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。桨的推进能用于克服船体的运动阻力。Company Logo二、特性、配合与工况二、特性、配合与工况 1、特性、特性 船、机、桨三者的合理配合，可使能量得到最佳船、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。系。这些关系由它们三者各自的特性所决定。Company Logo2、特性曲线、特性曲线 所谓特性曲线，就是把船、机、桨三者随转速变所谓特性曲线，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、配合关系和工示出来，以了解它们的变化特点、配合关系和工作范围等。作范围等。3、配合点、配合点 在某一工作条件下，船、机、桨三者的转速与能在某一工作条件下，船、机、桨三者的转速与能量均相等的点称为量均相等的点称为“配合点配合点”，也称，也称“平衡点平衡点”。Company Logo4、推进装置的工况、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：的运转状况，包括：以转速以转速n为变量的工况为变量的工况以负荷以负荷Pe(或轴的扭矩或轴的扭矩Mp)为变量的工况为变量的工况以以n（或（或Vs与与Ve或或Mp）并同时均为变量的工况）并同时均为变量的工况Company Logo5、变工况、变工况 由于船、机、桨的工作条件总是在不断变化，因由于船、机、桨的工作条件总是在不断变化，因此，船舶在实际运行中常常偏离设计平衡点，我此，船舶在实际运行中常常偏离设计平衡点，我们将那些偏离设计负荷平衡点的工况统称为变工们将那些偏离设计负荷平衡点的工况统称为变工况。变工况是经常发生的，例如：况。变工况是经常发生的，例如：船舶航行条件的变化船舶航行条件的变化操纵方式的变化操纵方式的变化船、机、桨自身性能的变化船、机、桨自身性能的变化Company Logo2、船、机、浆的基本特性、船、机、浆的基本特性一、船舶柴油机的基本特性一、船舶柴油机的基本特性 柴油机在运转过程中变化的主要参数为转速和有柴油机在运转过程中变化的主要参数为转速和有效功率效功率(或平均有效压力、或转矩或平均有效压力、或转矩)。1、柴油机的翰出功率及转矩、柴油机的翰出功率及转矩柴油机的功率：柴油机的功率：柴油机的转矩：柴油机的转矩：Company Logo2、柴油机的特性、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。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、推进特特性及减额功率输出特性、限制特性、推进特性等。性等。Company Logo（一）速度特性（一）速度特性(外特性外特性)柴油机运转中，只改变转变柴油机运转中，只改变转变n，而，而Pe保持不变，保持不变，这种运转特性称为速度特性或外特性。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。化关系，通常用以表示主机的工作性质。Company Logo 根据油泵齿条固定的位置不同，外特性分为以下根据油泵齿条固定的位置不同，外特性分为以下几种：几种：1h功率特性功率特性12h功率特性功率特性标定外特性标定外特性部分外特性部分外特性（二）调速特性（二）调速特性 在调速器作用下柴油机的功率、转矩与其转速的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。关系叫做柴油机的调速特性。Company Logo（三）负荷特性（三）负荷特性 负荷特性是指在某一固定不变的转速下，柴油机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户的性能参数随负荷户Pe变化的规律。负荷特性的变化的规律。负荷特性的实际意义：实际意义：确定非增压柴油机的标定工况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，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工况的特性Company Logo（四）万有特性（四）万有特性 在柴油机的运转范围中，在柴油机的运转范围中，在同一转速下用几个不同在同一转速下用几个不同的喷油量作试验，并将有的喷油量作试验，并将有关结果记录下来；再分别关结果记录下来；再分别固定各档转速，供人不同固定各档转速，供人不同喷油量；进行行试验将结喷油量；进行行试验将结果按果按P、n、ge、QD等参等参数整理绘制成图，即得万数整理绘制成图，即得万有特性曲线，如图所示有特性曲线，如图所示Company Logo（五）柴油机的推进特性（五）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。）工作时，为柴油机的推进特性。推进特性的实际意义：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使用中功率与转速的配合点确定推确定推(拖拖)船舶在各种工况下的负荷船舶在各种工况下的负荷用以确定船舶的经济航速用以确定船舶的经济航速Company Logo（六）柴油机减额功率输出特性（六）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的最大爆发压力Pmax与平均有效压力与平均有效压力pe的比值。的比值。Pmax是柴油机结构强度的设计依据，在设计时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已确定，而柴油机的功率是否Pe和转速和转速n的乘积的乘积成正比，一般把最大待续功率点成正比，一般把最大待续功率点(MCR)时的时的pe值值降低，作为新的标定点，而此时的降低，作为新的标定点，而此时的Pmax仍维持仍维持与与MCR相对应的值不变，这样就提高了相对应的值不变，这样就提高了Pmax与与Pe的比值，实现了比的比值，实现了比MCR低的燃油耗率。低的燃油耗率。Company Logo二、船舶航行阻力特性二、船舶航行阻力特性 船舶在航行时，受到空气和水这两种介质的阻力。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体的总阻力与航行速度的m次方成正比即：次方成正比即：若航速为若航速为Vs时，其船体总阻力为时，其船体总阻力为R，则直接用于，则直接用于克服船体阻力所需的功率克服船体阻力所需的功率PE为为Company Logo三、船舶螺旋桨推进特性三、船舶螺旋桨推进特性 船舶螺旋桨推进特性主要反映螺旋桨的推力船舶螺旋桨推进特性主要反映螺旋桨的推力T和和扭矩扭矩Q、推力系数、推力系数KT、转矩系数转矩系数KQ，以及桨的以及桨的敞水效率等随船速和进速系数敞水效率等随船速和进速系数J的变化关系。的变化关系。式中：式中：Company Logo 如右图所示如右图所示KT、KQ及及其随其随J变化规律和关系。变化规律和关系。在给定船舶中，其桨在给定船舶中，其桨径为定值，径为定值，J仅随仅随Va/n而变化，当而变化，当Va/n为常为常数时，数时，KT、KQ为定值，为定值，故桨的有效推力故桨的有效推力Te和和转矩转矩Q与转速的平方成与转速的平方成正比，即正比，即Company Logo 螺旋桨所需的功率可写成：螺旋桨所需的功率可写成：式中的式中的Q用上页公式代入可用上页公式代入可知知Pp与转速的立方成正比与转速的立方成正比 左图示出了在不同进速左图示出了在不同进速J时，时，T（Q）和）和Pn与与n之间的函之间的函数关系，可知：当数关系，可知：当n一定时，一定时，随随J的减小，的减小，T（Q）和）和Pp均要相应增大：均要相应增大：J保持不变保持不变时，时，T与与Q两参数均随两参数均随n的的平方成比例关系。平方成比例关系。Company Logo四、航速与转速的转换关系四、航速与转速的转换关系 在船的阻力特性是用其随航速的变化关系来表示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。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和船舶阻力R是相等的，即：是相等的，即：Company Logo 故由故由 和和 可得可得 对于已设计建造的船舶，其线性与尺度是已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，上定的，当船舶的航行状态也保持一定时，上式的系数式的系数AR、CT可看成常数。可看成常数。令令 ，则，则n=KVs，即为航速与，即为航速与转速的关系。转速的关系。Company Logo3、船、机、浆的能量转换与配合性质、船、机、浆的能量转换与配合性质一、推进装置机械能的传递过程一、推进装置机械能的传递过程 船舶主机的功率在传递至螺旋桨的过程中，有一船舶主机的功率在传递至螺旋桨的过程中，有一系列损失系列损失 THP(推力功率推力功率)DHP（收到功率）（收到功率）SHP（轴功率）（轴功率）BHP持续功率持续功率 IHP指示功率指示功率Company Logo二、推进装置功率转换计算二、推进装置功率转换计算指示功率指示功率持续功率持续功率Company Logo轴功率轴功率螺旋桨收到功率螺旋桨收到功率Company Logo推力功率推力功率船体有效功率船体有效功率Company Logo三、机、桨的配合性质三、机、桨的配合性质1、工作区域的划分、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。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。不同的机型其工作区域划分范围是有差别的。Company Logo2、螺旋桨设计负荷点的确定、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，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们的性能曲线示于同一个功率-转速特性图上，其转速特性图上，其交点即为配合点。交点即为配合点。理论上，此点是通过理论上，此点是通过100%Pmc、100%Pe和和100%nn 的的MCR点；但在实船营运过程中，这点；但在实船营运过程中，这个配合点往往会发生变化。个配合点往往会发生变化。Company Logo3、储备的主要方法、储备的主要方法功率储备法功率储备法转速储备法转速储备法阻力储备法阻力储备法 除这三种方法外，有将阻力增加某一百分比，又除这三种方法外，有将阻力增加某一百分比，又对在对在100%转速时的主机打一定折扣来设计螺旋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。参数后凭经验适当加以修正。Company Logo4、典型推进装置的特性与配合、典型推进装置的特性与配合一、单机单桨直接传动一、单机单桨直接传动1、基本原理、基本原理 忽略传动机组及轴系的传动损失，柴油机所发出忽略传动机组及轴系的传动损失，柴油机所发出的功率的功率PD须等于螺旋桨所吸收的功率须等于螺旋桨所吸收的功率PP。柴油机。柴油机的特性的特性PD=cn和螺旋桨的推进特性曲线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，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。两者的配合只能在一点相交。Company Logo2、单机直接带桨的特点、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门，主机的平均有效压力Pe就会变化，并使转速就会变化，并使转速发生变化，使二者获得新的配合。发生变化，使二者获得新的配合。Company Logo3、配合特性、配合特性（一）机配桨工作的配合（一）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。可实现减速航行。Company Logo（二）桨配机工作的配合（二）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。于工况改变较少的船舶。Company Logo二、减速齿轮箱传动二、减速齿轮箱传动1、特点、特点 柴油机的功率是通过减速齿轮箱后传送给螺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，旋桨的。如忽略功率在传递中的各种损失，则：则：2、特性、特性 具有节能效果具有节能效果Company Logo三、双机并车三、双机并车1、特点、特点 由两台主机各自通过离合器后共同经过减速齿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：轮箱带动一个螺旋桨，即：Company Logo2、特性、特性 如右图所示，如右图所示，B点为一台机点为一台机开全功率时与螺旋桨推进开全功率时与螺旋桨推进曲线的配合点。曲线的配合点。在在B点以下由于螺旋桨所吸点以下由于螺旋桨所吸收的功率本来就很小，如收的功率本来就很小，如果仍开两台，就会造成耗果仍开两台，就会造成耗油率的增加；如果只开一油率的增加；如果只开一台，功率就得到较充分利台，功率就得到较充分利用，耗油率也相应变低。用，耗油率也相应变低。Company Logo四、一机分车传动四、一机分车传动1、装置特点、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。动双桨的。2、特性、特性 其实际推进曲线将变陡，主机的负荷也偏离额定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。般航行均不使用。Company Logo五、多机多桨传动五、多机多桨传动1、装置简图、装置简图 运输船舶采用的多机多桨装置中，多数为双机双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，如下图所示：桨推进装置，如下图所示：Company Logo2、特性、特性 操纵性较好操纵性较好 生命力较强生命力较强 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、高速柴油机实行是有意义的，它有利于采用中、高速柴油机实行减速传动减速传动 适应性较强适应性较强Company Logo5、船、机、桨在变工况时的配合、船、机、桨在变工况时的配合一、系泊工况一、系泊工况 船舶在建成或大修下水后，或是在试航以前，都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、桨在船舶系岸工作是否符合要求。机、桨在船舶系岸(不运动不运动)的情况下运转的工况，称为系泊工况。的情况下运转的工况，称为系泊工况。Company Logo 右图中，曲线右图中，曲线1为螺为螺旋桨设计状态的推进旋桨设计状态的推进特性曲线；曲线特性曲线；曲线2是是系泊时桨的推进特性系泊时桨的推进特性曲线，曲线，OA为主机标为主机标定外特线；定外特线；A为标定为标定设计工况的机、桨配设计工况的机、桨配合点；合点；B为系泊工况为系泊工况的配合点。的配合点。Company Logo 可见，在系泊工况时，配合点可见，在系泊工况时，配合点B处的功率处的功率PB比额比额定值定值Pmc小得多，其转速也比标定值低，通常小得多，其转速也比标定值低，通常nB=（0.80-0.85)nn，并且发生在，并且发生在OA左侧左侧的短时工作区域，故在做系泊试验时，必须充分的短时工作区域，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主机将发生超负荷运行，并可导致某些机务事故Company Logo二、过渡工况二、过渡工况 过渡工况主要反映船舶在起航、加速、转弯、制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生超负荷现象，驾驶和轮机人员操作时必须特别注意。注意。Company Logo1、起航和加速工况、起航和加速工况 船在起航之初，犹如系泊工况，桨的推进曲线船在起航之初，犹如系泊工况，桨的推进曲线较陡，油门不宜开得过大。起航和航行中的加较陡，油门不宜开得过大。起航和航行中的加速过程，螺旋桨所发出的有效推力，除用来克速过程，螺旋桨所发出的有效推力，除用来克服船舶在该航速下的阻力外，还有一部分须用服船舶在该航速下的阻力外，还有一部分须用在船舶加速时克服自身的惯性力，即在船舶加速时克服自身的惯性力，即:由上述可知，船舶加速航行时比等速航行时，由上述可知，船舶加速航行时比等速航行时，主机要供给更大的功率。主机要供给更大的功率。Company Logo2、倒航（反转）工况、倒航（反转）工况 船舶在进出繁忙的港口、狭小复杂的航道或在船舶在进出繁忙的港口、狭小复杂的航道或在气候恶劣的情况下肮行时，要进行频繁的倒车气候恶劣的情况下肮行时，要进行频繁的倒车操纵，以防两船相撞、触礁等事故，船舶离、操纵，以防两船相撞、触礁等事故，船舶离、靠码头，更要频繁倒车。靠码头，更要频繁倒车。Company Logo3、双桨推进装置的转弯工况、双桨推进装置的转弯工况（一）双桨船转弯过程（一）双桨船转弯过程 船舶的转弯是靠舵来实现的。船舶的转弯是靠舵来实现的。转弯时，特别是急转弯时，特别是急转弯、主机的负荷将增加，尤其是内机转弯、主机的负荷将增加，尤其是内机(船舶转弯船舶转弯内侧的主机内侧的主机)将剧烈增加。将剧烈增加。船舶在转弯时船速及螺旋桨处水流的大小和方向船舶在转弯时船速及螺旋桨处水流的大小和方向均在不断变化，两只螺旋桨的负荷也是在不断变均在不断变化，两只螺旋桨的负荷也是在不断变化的化的Company Logo（二）转弯时桨的负荷变化（二）转弯时桨的负荷变化船舶转弯时，螺旋桨处于斜水流中，也增加了桨船舶转弯时，螺旋桨处于斜水流中，也增加了桨的阻力矩。内桨与外桨相比，流入内桨的水流速的阻力矩。内桨与外桨相比，流入内桨的水流速度低于外桨，且内桨处于迎水舵面的高压区，水度低于外桨，且内桨处于迎水舵面的高压区，水 流速度较低，所以，内桨负荷远大于外桨负荷的流速度较低，所以，内桨负荷远大于外桨负荷的增加。总之，螺旋桨负荷增加的程度随船速的高增加。总之，螺旋桨负荷增加的程度随船速的高低和舵角的大小而变，若以高航速、大舵角转弯；低和舵角的大小而变，若以高航速、大舵角转弯；螺旋桨负荷将急剧增加，致使主机超负荷，甚至螺旋桨负荷将急剧增加，致使主机超负荷，甚至破坏主机的工作。通常倩况下，高速转弯是受限破坏主机的工作。通常倩况下，高速转弯是受限制的。若在高速转弯，要限制主机的喷油量，特制的。若在高速转弯，要限制主机的喷油量，特别是内机，以防主机超负荷。别是内机，以防主机超负荷。Company Logo4、船舶营运时的变工况、船舶营运时的变工况装载和吃水的影响装载和吃水的影响推（拖）船的航行推（拖）船的航行船舶进入浅水或窄航道航行船舶进入浅水或窄航道航行船遇风浪船遇风浪偏舵对航行的影响偏舵对航行的影响摇摆的影响摇摆的影响污底对船舶航行的影响污底对船舶航行的影响弯曲航道对船舶航行的影响弯曲航道对船舶航行的影响