船舶动力装置原理与设计-第5章

武汉理工大学2007年1月7日星期日船舶推进装置的特性与配合武汉理工大学能源与动力工程学院主讲：周瑞平樊红胡义2007年1月7日星期日1.概述1.1功率传递过程2007年1月7日星期日1.1功率传递过程„柴油机指示功率Pi(IHP)„标定功率PEB(BHP)PEB=Pi·ηnηn—主机机械效率„桨收到功率PD(DHP)PD=Ps·ηw·ηsηw—尾管装置的效率0.985~0.99ηs—轴系的效率„推力功率PTPT=PD·ηO·ηrηO—桨的敞水效率，0.55~0.65ηr—相对旋转效率0.96~1.05„船体有效功率PRPR=PT·ηhηh—船身效率„总推进效率ηΣiuZiHBPη3600⋅=uutHBHBP•=•=∑36003600η2007年1月7日星期日1.1功率传递过程„ηi—柴油机指示效率四冲程:0.42~0.52;二冲程:0.35~0.45„ηn—主机机械效率非增压:0.75~0.85;增压:0.8~0.92„ηC—齿轮箱效率„ηrt—推力轴承效率„ηrh—中间轴承效率„ηw—尾管装置的效率0.985~0.99„ηO—桨的敞水效率，0.55~0.65„ηr—相对旋转效率0.95~1.03„ηh—船身效率,0.95~1.1„ηd—推进效率,ηd=ηr·η0·ηh0.65~0.7ωη−−=11th2007年1月7日星期日1.1功率传递过程2007年1月7日星期日2007年1月7日星期日1.2船机桨的能量关系船机桨三者的能量关系„主机：能量发生器„桨：能量转换器，阻力变，桨特性变„船体：能量吸收器，装载量变、污底、航道等变化引起船舶阻力变化。主发动机减速装置QShs螺旋桨nP伴流减额船体QPTPViRV流体2007年1月7日星期日1.3特性1.3.1船体的特性„可由其阻力特性反映分析时，R∝V2Pn=R×VS∝VS3„船体阻力的组成摩擦阻力：frictionalresistance压差阻力，常称为剩余阻力：residualresistance粘压阻力，常称为涡流阻力：eddy-makingresistance兴波阻力：wave-makingresistance2007年1月7日星期日摩擦阻力FrictionalresistanceRF„ThefrictionalresistanceRFofthehulldependsonthesizeofthehull’swettedareaAS,andonthespecificfrictionalresistancecoefficientCF.„Frictionalresistancerepresentsaconsiderablepartoftheship’sresistance,oftensome70~90%oftheship’stotalresistanceforlowspeedships(bulkcarriersandtankers),andsometimeslessthan40%forhighspeedships(cruiselinersandpassengerships).„RF=CF×KReferenceforce:K=1/2×V2×AS2007年1月7日星期日剩余阻力ResidualresistanceRR„ResidualresistanceRRcompriseswaveresistanceandeddyresistance.Waveresistancereferstotheenergylosscausedbywavescreatedbythevesselduringitspropulsionthroughthewater,whileeddyresistancereferstothelosscausedbyflowseparationwhichcreateseddies,particularlyattheaftendoftheship.„Theresidualresistancenormallyrepresents8~25%ofthetotalresistanceforlowspeedships,andupto40~60%forhighspeedships„RR=CR×K2007年1月7日星期日空气阻力AirresistanceRA„Incalmweather,airresistanceis,inprinciple,proportionaltothesquareoftheship’sspeed,andproportionaltotheCrosssectionalareaoftheshipabovethewaterline.„Airresistancenormallyrepresentsabout2%ofthetotalresistance.„RA=CA×KRA=0.90×1/2×ρair×V2×Aair2007年1月7日星期日船体的特性Fig.2:TotalshiptowingresistanceRT=RF+RW+RE+RAa600teucontainership,designedfortheshipspeedof15knots.2007年1月7日星期日船体的特性Powerandspeedrelationshipfora600TEUcontainership2007年1月7日星期日船体的特性2007年1月7日星期日船体的特性船体的阻力特性AR与船体线型与航行情况(装载、拖带、污底)有关2007年1月7日星期日1.3特性1.3.2桨的特性„Propellertypes2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性„桨的结构和几何参数„桨叶靠近桨縠的部分叫叶根，最外端叫叶梢„从船尾向船首看，看到的叶面叫压力面，另一面叫吸力面。„按正车旋转，先入水的一边叫导边，后入水的一边叫随边。„桨旋转时，叶梢顶尖划出的圆叫叶梢圆，叶梢圆的直径叫桨径2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性„各参数的考虑„桨径越大,桨效率越大,但取决于船的类型和设计及强度„桨叶数可取2,3,4,5,或6.桨叶数越少,桨效率越高,但强度差大功率船一般取4或5叶桨„叶片数越多,振动越小。„盘面比越大,空泡产生的可能性越小.2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性„桨的结构和几何参数„螺距：„螺距比（H/D）：„盘面比（A/Ad）：A---所有桨叶展开面积的总和Ad----以D为直径圆的面积2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性2007年1月7日星期日1.3.2桨的特性2007年1月7日星期日1.3.3柴油机的特性„柴油机的工况„发电机工况：调速器控制使n恒定（如电力传动主机和发电副机）„螺旋桨工况：直接驱动桨的主机稳定工况下，主机发出功率等于桨吸收功率„其它工况：功率与转速没有一定的关系，功率由阻力决定。（如驱动调距桨的主机，驱动应急救火泵或应急空压机的柴油机，变工况主机）2007年1月7日星期日1.3.3柴油机的特性柴油机的特性可认为，保持喷油量不变,柴油机在不同转速时，平均有效压力为常数。故有P随供油量增加而增大；供油量一定，P∝n2007年1月7日星期日柴油机试验台上测定，将喷油量调节机构固定在某一位置，改变负荷，使转速变换。„全负荷速度特性：标定转速发出标定功率的供油位置，标准试验环境（大气压p0=100kpa，相对湿度φ0=30%/无限航区60%，环境温度T0=298K/318K）及持续功率下测定。„超负荷速度特性：超负荷功率为标定功率的110%（对应103%neb），并且在12h运转期内允许超负荷运转1h。„部分负荷速度特性：喷油泵油量固定在小于标定功率油量2007年1月7日星期日B—燃油消耗量be—燃油消耗率tr—排气温度2007年1月7日星期日2007年1月7日星期日调速特性„调速器作用下柴油机的功率、转矩与其转速的关系„全制调速器2007年1月7日星期日„试验台或实船条件下测取。„发电副机和装有全制式调速器的主机，在设定转速不变下，当负荷变化转速保持不变时，可认为按负荷特性工作。„负荷特性是标志柴油机动力性与经济性的基本指标特性。„作用：比较不同柴油机的性能，评价同一柴油机的结构设计改变或调速器后的效果；标定柴油机功率；绘制万有特性曲线。2007年1月7日星期日B—燃油消耗量be—燃油消耗率tr—排气温度2007年1月7日星期日2007年1月7日星期日推进特性„稳定运转条件下，若不计传动损失2007年1月7日星期日万有特性„以转速n为横坐标,功率P为纵坐标的坐标平面内绘出的一系列等值曲线族.„如等油耗曲线:2007年1月7日星期日万有特性2007年1月7日星期日1.3.4航速与转速的转换„稳定工况，桨有效推力等于阻力。„Te=T(1-t)=R→n∝v„船体阻力与桨推力可相互转化。船机桨三者的关系简化为机桨二者的配合问题.2007年1月7日星期日1.4EngineLayoutandLoadDiagrams„PB=c×n1(forconstantmep)„PB=c×n3(propellerlaw)2007年1月7日星期日1.4.1Propulsionandenginerunningpoints„PropellerdesignpointPD„Fouledhull„Heavyweatherandseamarginusedforlayoutofengine„seamargin,15%ofthepropellerdesignPDpower.However,forlargecontainerships,20~30%maysometimesbeused.„calmweatherpropellercurve6–theheavierpropellercurve2,havinga3~7%higherrateofrevolutionthancurve2,andingeneralwith5%asagoodchoice.2007年1月7日星期日1.4.1Propulsionandenginerunningpoints„ContinuousservicepropulsionpointSP„ContinuousserviceratingS„LightrunningfactorfLR„Enginemargin„MP:Specifiedpropulsionpoint„SpecifiedMCRM:maximumconstantrating2007年1月7日星期日1.4.2engineLoaddiagram„Line1:Propellercurvethroughoptimisingpoint(O)layoutcurveforengine„Line2:Heavypropellercurvefouledhullandheavyseas„Line3:Speedlimit„Line4:Torque/speedlimit„Line5:Meaneffectivepressurelimit„Line6:Lightpropellercurvecleanhullandcalmweatherlayoutcurveforpropeller„Line7:Powerlimitforcontinuousrunning„Line8:Overloadlimit„Line9:Seatrialspeedlimit„Line10:Constantmeaneffectivepressure(mep)lines2007年1月7日星期日1.4.2engineLoaddiagram2007年1月7日星期日1.4.2engineLoaddiagram„OptimisingpointO„WithVIT(variableinjectiontiming)theratingatwhichtheenginecompressionratioareadjusted,withconsiderationtothescavengeairpressureoftheturbocharger„MC/M