船、机、桨工况配合特性

一、船、机、架三者的能量关系§6—1船、机、桨的基本概念船舶主机、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（扭矩）转换为推进能（推力）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。机舱环境影响柴油主机船、桨对柴油机的影响供油量轴系及传动设备螺旋桨桨对船影响船对桨影响螺旋桨海况、载况对船舶航行的影响船速二、特性、配合与工况1、特性1）船体的特性可用阻力——航速或有效功率——航速特性曲线来描述；2）主机的特性可用转矩——转速或有效功率——转速特性曲线来描述；3）螺旋桨的特性可用螺旋桨转矩——螺距比和进速系数的关系；螺旋桨推力——螺距比和进速系数的关系特性曲线来描述。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。2、配合点船、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。在某一工况下，船、机、桨三者的能量均相等的点称为“配合点”，也叫“平衡点”。在设计状态下的配合点叫“设计配合点”，“设计配合点”通常是最佳配合点。所谓最佳配合点就是船、机、桨三者的能力都合理、协调、充分发挥的工作配合点。3、工况1）设计工况船、机、桨三者的能量在设计状态点达到平衡。2）变工况由于船、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工况点，称为变工况。影响工况的因素主要有以下几个：（1）阻力的变化如遇风浪、潮水、装载量变化等；（2）操纵的变化如加速、减速、转弯、倒车等；（3）船、机、桨自身性能的变化如主机变旧、船舶污底、螺旋桨表面损坏等。上述变化将影响船、机、桨的配合，因此在设计、管理时必须充分考虑。一、船舶航行阻力特性§6—2船、机、桨的基本特性船体阻力是航速的函数，即：式中：R——船体的阻力；AR——系数；PE——船体有效马力；VS——航速；m——指数。mSRVAR一般排水量船舶M＝2，这个近似关系可以通过模型或实船试验求得。SEVRP系数AR与船体线型，与航行情况（装载、拖带、污底）等有关。各种工况下的阻力曲线二柴油机的基本特性概述柴油机由于用途和使用条件不同，它在实际运转中的工作状况的变化可分成以下三类：（1）带动发电机的柴油机转速恒定，沿兰线工作；（2）带动螺旋桨的柴油机转速和扭矩之间有规律关系，沿绿线工作；（3）车用柴油机，转速和扭矩之间没有一定的关系，转速取决于车速，扭矩取决于装载量和路面阻力。在阴影面内工作。Nenmaxnminn对一给定的柴油机来讲，Vs、i、τ为已知常数。因此，Ne是随pe、n而变的函数：Ne=f（pe、n）式中:n——曲轴每分钟转数r/min；Pe——平均有效压力Pa；τ——冲程系数，四中程τ=1/2，二冲程τ=1；i——气缸数；Vs——气缸工作容积m3。60NeeτinVPs1、柴油机的输出功率（w）2、柴油机输出矩扭Me与PD之间的关系为：式中：Me——柴油机的输出矩扭。nN55.9Mee（N-m）3、柴油机运行规律与参数之间的关系：1）n变，pe不变。（即每一个工作循环的喷油量不变）2）n变，pe也变。3）n不变，pe变。4、柴油机特性概念：柴油机工作参数（Ni，Ne，ηi，ηe，gi，ge，Me等）和变量Pe、n之间的函数关系为称柴油机的特性。5、柴油机特性分类：柴油机工作参数（Ni，Ne，ηi，ηe，gi，ge，Me等）随转速n和随平均有效压力Pe而变化的规律分别叫做柴油机的速度特性、负荷特性、调速特性、推进特性、万有特性、减额功率输出特性、限制特性等。1）速度特性（外特性）n变，pe不变，由Ne=f（pe、n）知:Ne∝n;Me=f(pe)=常数。Ne=Me·n/9.55=f(n)即Ne与n成直线关系,如下图所示.实际上有如下因素影响：（1）每循环进气量与n有关；2）热态状与n有关；（3）指示效率的变化；（4）每循环喷油量也与n有关。因此pe是变化的。外特性的定义在速度特性线中，把柴油机在喷油量（即pe）不变时，在各种转速n下的最大做功能力称为柴油机的外特性。1）最大功率特性——柴油机热负荷很高，一般作为船用主机的最大功率或超额功率，持续使用时间不应超过（也不小于）1小时。线pe1。4）最底负荷特性——最小喷油量,以维持柴油机怠速。线pe6。5）最高转速限制线——nmax=1.03nH6）最底转速限制线——柴油机最低稳定转速。nmin。7）额定转速——nH。柴油机的工作范围：在a—b—c—d—a所围面积中。nmaxnHnminabcdMCR2）额定功率特性——柴油机热负荷和机械负荷好，一般作为船用主机的常用功率，可长期持续使用。线pe2。3）部分功率特性——指供油量固定在小于额定功率（如90％、75％、50％等）供油量的各个速度特性。线pe3~pe5，船舶在实际运行中常用这类曲线。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柴油机带螺旋桨，必须有全制式调速器。当调速器的弹簧处在不同位置时，有调速特性曲线1、2、3、4、等。h1、h2、h3是柴油机在不同供油量时的外特性线。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、为不同工况的推进线。3）负荷特性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。4）推进特性A、定距螺旋桨推进特性螺旋桨推进特性反映其推力T、转矩M、（推力系数KT和扭矩系数KQ）以及敞水效率η0随进速系数J（船速，转速）的变化关系。3pppp2pQ2pTQTppp52pQ42pTppnC60n2QPnCQnCTKK2Jn2MVTDnQKDnTKDnVJ率：可得螺旋桨需要主机功可得：pQp5QQ4TTppQTppnC1047.0CDKCDKCPKKQTDnVJ；；螺旋桨需要主机功率；—螺旋桨敞水效率；—螺旋桨扭矩系数；—螺旋桨推力系数；—螺旋桨扭矩；—螺旋桨推力；—水密度；—螺旋桨直径；—螺旋桨转速；—螺旋桨进速；—螺旋桨进速系数；—定螺矩螺旋桨的水动力特性不同J时的推进特性npPpJ1J3J2J1＜J2＜J3np13pppnCPB、柴油机推进特性根据主机的额定功率和额定转速计算出各种转速下的功率值，其相对百分数变化值见下表）（%n）（%P632579.550917596.585100100103110当n＝103％nH时，柴油机的功率就已达到额定功率的110％。柴油机作为船舶主机带螺旋桨并按P=Kn3的规律变化的关系称为柴油机的推进特性。推进特性的实际意义：（1）根据柴油机的工作能力合理地设计、选用螺旋桨；（2）确定使用中功率与转速的配合点；（3）确定推(拖)船舶在各种工况下的负荷；（4）用以确定船舶的经济航速。船用柴油机推进特性船用柴油机特性曲线综合图（1）螺旋桨设计点功率通常螺旋桨设计点功率外特性部分功率外特性船用柴油机特性曲线综合图（2）螺旋桨设计点功率通常螺旋桨设计点功率外特性部分功率外特性5、航速与螺旋桨转速和功率的转换关系在研究船、机、桨工况配合时，必须将它们三者的特性参数置于同一坐标里，才·便于分析。2pTmSRnCTVAR2mSpVKn2mS21TRpVCAn）（对于一般排水量船舶m=2SpVKn但在前述的分析中，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。船舶在稳定工况下正常航行时，螺旋桨所产生的有效推力和船舶航行阻力是相等的，故有：PEPSn1n1n2n2n3n3n1＞n2＞n3船舶航行特性曲线V§6-3船、机、桨的能量转换与配合性质一、推进装置机械能的传递过程BHP、主机输出有效功率；DHP、螺旋桨收到功率；EHP、螺旋桨发出功率二、推进装置功率转换计算（1）额定功率Pe（BHP）（2）螺旋桨收到功率PD（DHP）在规定环境条件和额定转速下，主机输出端输出的持续有效功率。BeDPPηB——轴系总效率（3）螺旋桨发出功率PT（THP）HR0DDDTPPPηD—推进效率；η0—螺旋桨敞水效率；ηR—相对旋转效率；ηH—船身效率。HR0D（4）船体有效功率PE（EHP）SSERVPVS——船体航速；RS——船体阻力。（5）TEPP三、机、桨的配合性质1．柴油机的允许使用范围（限制特性）通常由下列限制特性线构成：最大负荷限制持性线，2—3—4—5—6；最低负荷限制特性线，1—7；最高转送限制持性线，7—6；最低转速限制特性线，1—2。柴油机的工作范围由以上四条限制特性线所限定，实际运行中，其工作点一般不超出此范围。注意：并不意味柴油机可在其范围内任意工作，还与螺旋桨推进特性有关。2．柴油机工作区域的划分柴油机带桨工作特性1、Ⅰ区为柴油机带桨工作安全区，可持续使用。2、Ⅱ区为柴油机带桨短时工作区，热负荷较重。3、Ⅲ区为柴油机带桨超转速工作区，一般在新船试航时短时使用，以后很少使用。3．螺旋桨设计负荷点的确定（柴油机功率储备）有三种储备方式；（1）柴油机功率储备；（2）柴油机转速储备；（3）船体阻力储备。柴油机功率储备概念F点、功率储备设计负荷点。C点、转速储备设计负荷点。也可使用D或B点。若使用D点那么螺旋桨推进特性曲线可能会与功率储备螺旋桨推进特性曲线重合。P——额定功率；n——额定转速。3．螺旋桨设计负荷点的确定（柴油机功率储备）4．螺旋桨剩余功率概念及范围1）、剩余功率的概念柴油机在以某一转速带螺旋桨工作时，除发出带螺旋桨所需要的功率之外，潜在的尚能发出的功率称为剩余功率。（简称余功）2）、剩余功率的表达式（1）转速为n时的余功△N=Ne-Np=NeH(n/nH)-NeH(n/nH)3（2）最大余功的表达式及此时的转速令：△N=NeH(n/nH)-NeH(n/nH)3=0（对转速n求导）得到：NeH-3NeH(n/nH)2=0∴3(n/nH)2=1∴n/nH=√1/3∴n=0.577nH（最大余功时的转速）△Nmax=NeH(0.577nH/nH)-NeH=NeH(0.577-0.192)=0.385NeH（最大余功）剩余功率图一、单机单桨配合（功率—转速（航速）坐标系）§6-4典型推进装置的稳态特性与配合“机配桨”船体阻力不变。此时机桨配合在B点。当要加速时，只要加大柴油机的油门，增加柴油机的转速，即可实现。此时的工作点由B变为A。当要减速时，只要减小柴油机的油门，减低柴油机的转速，即可实现。此时的工作点由B变为C。一、单机单桨配合（功率—转速（航速）坐标系）§6-4典型推进装置的稳态特性与配合“桨配机”船体阻力变化此时机桨配合在B点。（1）当船舶阻力增加，船速减慢，螺旋桨特性线将变陡，线Ⅰ。机、桨配合点由B变为C，主机的功率和转速同时下降。即，所谓重桨。在调速器的作用下，油门将加大，主机由部分负荷线2转为线1工作，最后在C｀点配合。此时的工作点为功率提高了，转速仍为额定转速。（2）当船舶阻力减小，船速变快，螺旋桨特性线将变平缓，线Ⅱ。机、桨配合点由B变为A，主机的功率和转速同时增加。即，所谓轻桨。在调速器的作用下，油门将减小，主机由部分负荷线2转为线3工作，最后在A〃点配合。此时的工作点为功率降低了，转速仍为额定转速。二、多机单桨配合（功率—转速（航速）坐标系）§6-4典型推进装置的稳态特性与配合A点是两台主机联合工作时与桨相配合的标定工作点。B点为一台机在额定负荷时与螺旋桨推进曲线的配合点，此时主机转速是nB，小于额定转速。当船舶在推进曲线Ⅰ的AB线段内工作时，必须两台机并联运行。当转速（船速）降低至B点以下时，既可开其中一台机工作，以减少剩余功率，提高效率。二、多机单桨配合（