船舶主机功率和转速

船舶推进装置的设计工况1.主机功率和转速1)主机的连续最大运转工况船舶柴油主机在额定转速下，在主机的规定正常维修周期内按标准环境条件连续运转的最大功率，为连续最大功率MCR，或称连续功率或额定功率。如采用ISO3046/1标准环境条件，则称为ISO连续功率或ISO连续最大功率。ISO标准环境条件为气压100kPa，气温27℃，冷却水温27℃，湿度60%。实际装船运行时，主机功率将随环境条件而变，特别是对于配备中间冷却器的增压高速柴油机。在主机的特性曲线图上，连续最大功率和额定转速的交点代表主机的连续最大运转工况MCR(MaximumContinuousRating)，通过这个点的推进特性曲线，为MCR推进特性线。通常应用MCR作为确定推进器设计工况的基准点。从推进主机实际运行条件及其性能特点出发，考虑燃料的经济性和与推进特性的配合，对一些船用柴油机常提供一个可以选择的低于标准MCR的最大连续工况选择范围，由此选定的MCR，称为减额最大连续工况DMCR或指定(合同)MCR，即SMCR（或CMCR），并以此设计主机的运转限制(设定油泵和调速器)。这种重新设定的减额MCR，即为推进器设计时所用的MCR。2)主机的运转裕度和常用工况从动力装置设计的角度出发，考虑主机的经济性和维修保养，常对主机的功率扣除一个裕度，以便主机适应长期运转。主机所扣除的这个裕度，称为运转裕度EM(EngineMargin)，对于一般运输船舶，其范围为0~15%，习惯上常取10%的EM，渔船和拖船等负载变动较大的船舶，则常取15%的EM。扣除EM后的主机功率，为常用功率，在MCR转速下的常用功率NO(NormalOutput)或连续运转功率CSO(ContinuousServiceOutput)运转的工况为连续运转工况CSR(ContinuousServiceRating)或常用运转工况NOR(NormalOperatingRating)。用汽轮机驱动时，由于汽轮机的低速高转矩特性，可以取用较小的EM。燃气轮机由于具有平坦的外特性，而且长期运转后功率无影响，可以采用在船用环境条件下的最大连续运转工况设计推进器。3)主机的转速裕度在预期的使用年限以内，为了避免主机过载，避免在驱动固定螺旋桨时发生过转矩导致主机冒黑烟的现象，使船机桨在整个使用年限内均保持比较良好的配合，如果在设计螺旋桨时按试航状态的平静海面和深水时的航速以及额定功率设计，则应提高设计转速。所提高的裕度称为螺旋桨转速裕度RRM（RightRunningMargin）。RRM的数值的确定与主机的增压方式、冷却方式、排气系统的设计等有一定关系，可按照主机制造厂的推荐值确定，通常取3.0%~7.0%，渔船主机因多具备高转矩性能，多取为1.5%~3%，汽轮机因具有低速高转矩性能，可取2%的RRM。螺旋桨设计时转速裕度的选取，见“推进器设计工况的确定”。如果设计时不采用新船状态作为设计状态，即己考虑了主机的经年变化，则不采用转速裕度。4)航海裕度在相同的航海速率下，考虑污底和风浪的影响所引起的船舶所需有效功率的增加和推进性能的下降，航行时所需主机功率的增加率通常用航海裕度(或称海上航行裕度、航海余裕)SM（Seamargin）表示，其定义式为(相同航海速率和排水量下)：SM=％）静深水中所需功率清洁船体和推进器、平实际航海状态所需功率（1001航海裕度通常按照船舶的航行区域或航线、船舶类型、主机型式，航速高低，由船东或设计者确定，通常在0%~25%之间，国际航行的运输船舶有用15%的SM，定期班船或在北大西洋等气候条件较差海域航行者常取较大的SM；采用可控螺距螺旋桨时，可采用0%的SM。在确定SM时，还应考虑主机制造厂根据主机特性并考虑船机桨配合所提出的SM推荐值。航海裕度还可以采用增加主机(推进轴)转速的百分数表示，由于推进特性曲线的功率和转速在低速运输船舶有近于三次幕函数的关系，而航速和转速之间有线性关系，故转速裕度与等效功率裕度之间的关系为：(1+转速裕度)3=(1+功率裕度)注：螺旋桨定律：螺旋桨所需功率与其转速的三次方成正比2.主机功率的传递推进器的收到功率要从主机功率中扣除主机外带驱动的各种装置的功率损耗、减速装置的功率损耗以及推进轴系的功率损耗。主机功率的传递过程如图：主机功率的传递过程柴油机的标称功率通常是制动功率PB，即其指示功率扣除主机内部机械损失，亦即由由制动测功器在主机输出端测得的功率。制动功率扣除主机驱动的附连泵、发电机、空气压缩机和减速装置的消耗以后的功率，为轴功率PS。船用汽轮机用PS表示其输出功率。在尾轴尾端与推进器连接处测得的功率称为收到功率PD或推进器功率PP。减速齿轮箱的功率损耗，用减速装置效率ηG表达，其一般数值见下表。轴系的传送损耗由轴系传送效率ηs表达，ηs=PD/PB或PD/PS，其数值范围见下表。减速装置效率轴系传送效率减速装置部件型式部件的ηG轴系部件型式部件的ηs单级齿轮减速双级齿轮减速液力销合器电磁离合器0.9750.950.9750.975中间轴承(每只)(往复式发动机)中间轴承(每只)(电动机及汽轮机)推力轴承(普通型)推力轴承(密契尔型)尾轴管0.997~0.99750.9980.9850.9950.990考虑整个轴系的转送损耗，还可以采用下列近似式计算PD：主机位于肿部：PD=PS/l.03或PD=PB/1.05主机位于尾部：PD=PS/l.02或PD=PB/l.033.推进效率船体有效功率PE或阻力功率PR与收到功率PD或推进器功率PP之比称为推进效率(或似是推进系数)ηD；ηD=PE/PD=PR/PP。推力功率PT(PT=TVA)与收到功率PD或推进器功率PP之比为船后推进器效率ηB；ηB=PT/PD=PT/PP。船体有效功率PE或阻力功率PR与推力功率PT之比为船身效率ηH；ηH＝PE/PT=PR/PT=(l-t)/(l-w)。船后推进器效率与敞水推进器效率之比为相对旋转效率ηR；ηR＝ηB/ηO。上述各项功率和效率的关系见下图。在推进器设计时除了准确计算敞水效率ηO外，必须先行正确选定ηH和ηR的数值，以求正确反映推进系统的功率匹配和推进器在实船船后运行条件下的效能，必要时应在设计时采取提高ηH和ηR的措施，见“螺旋桨和船体间相互作用”和“螺旋桨的空化和激振力”。4.推进器设计工况的确定1)设计航速推进器设计时应满足在给定主机工况和航行条件下的航速要求，并且在满足各种负载条件下，通过权衡分析，以合适的设计航速来确定推进器的几何要素，主要是确定合适的直径和螺距的配合，以求在主机运转限制条件下使推进器的效能得以照顾到各种负载条件。对于运输船舶，一般在建造合同中约定试航速率作为主要的性能指标之一，而在租船合同中则一般约定航海速率(平均航海速率)，试航速率与航海速率的一般定义如下：试航速率——排水量按设计规格书规定(通常液货船按满载状态，干货船按约1/5载重量在状态)、主机按额定工况运转时，主机转速不高于最大转速(通常为MCR工况转速的101%~105%，转速低的取较大值)时在平静海面深水中的测速结果(见“实船试航”)。航海速率——100%满载，主机按扣除运转裕度和航海裕度的工况运转，清洁船体和推进器、良好天气下的航速。上述“良好天气”情况，视船舶大小而定，通常是指风力在蒲氏3级以下的海面状态，对于超级油船(VLCC)，则在蒲氏6级风力下仍可视为“良好天气”，而小型船舶的“良好天气”条件，不超过风力在蒲氏2级的情况。对于各种船舶的良好天气条件，应分别以海面风力等级指明，并据此建立试航速率与航海速率之间的换算关系。航海速率一般均标为“大约”值，其允许误差范围一般为±5%或±0.5kn。此外，航海速率应为无严重污底(在某些港口长时间停泊所造成)，去掉水的流速影响的正常航行情况下的平均航速。在设计固定螺距螺旋桨时，应该在要求的航海速率和在一定的主机功率配备下可能达到的航海速率之间，考虑试航速度和在其他航行条件下的性能，选择一个螺旋桨设计航速，可控螺距螺旋桨则通常先确定结构螺距比，然后校核航速。2)推进器设计的主机工况(1)确定主要要素时的主机工况。如“主机功率和转速”所述，推进器设计时，特别是固定螺距螺旋桨设计时，应保证推进特性有足够的裕度，设计时应在规定的主机运转裕度和航海裕度的基础上，确定一个合理的推进器设计裕度，设计裕度的确定因素包括：①运转裕度和航海裕度：由于在设定运转裕度时包括了航海裕度所应考虑的因素，又或在设定航行裕度时包括了主机功率经年变化等运转裕度中所应考虑的因素，必要时可以不用简单叠加这两个裕度作为推进器的设计裕度。②附加的转速裕度：某些情况下还采用另外附加转速裕度的方法，进一步加大设计裕度，以减少主机过载情况的发生。这个附加的转速裕度，一般范围是0~l%。③设计误差：由于设计计算方法和有效功率预报以及伴流分数预估的误差，应根据设计者的经验，适当调整裕度的数值。(2)确定盘面比和叶片厚度时的主机工况。确定盘面比和叶片厚度时，应按主机的MCR工况的功率和转速进行计算。3)推进器设计的船体条件采用航海裕度时，船舶有效功率应与定义航海裕度的船体条件一致，即清洁船体、满载情况下的有效功率，计及空气阻力、附体阻力、操舵引起的阻力增加等，见“船模试验和实船换算”和“实船快速预报”。不采用航海裕度时，应在上述有效功率上增加平均运转情况下的污底阻力增加（见“污底阻力”）和风浪中阻力增加（见“风浪中阻力增加及失速的估算”）。如果在船舶设计的最后阶段，有效功率已通过船模试验或相似实船的试航结果得以比较准确地预报，建议增加3%左右的裕度。在方案设计和初步设计阶段，则依设计者的经验增加一定的裕度。4)各种裕度的综合计算确定设计工况时对各种裕度应按其定义进行计算，例如综合考虑EM和SM时，按功率裕度计算的驱动功率为MCR×(1-EM)/(1+SM)，即当SM=15%，EM=10%时，运转功率为MCR的78.26%。此外，在讨论裕度时，应明确地把EM和SM分别计算。