船舶推进装置的特性与匹配.ppt

第五章 船舶推进装置的特性与 匹配 柴油机 电控柴油机 5-1 概述 一、推进装置功率与效率 2.特性 船舶阻力特性 R=A*Vm 螺旋桨特性 推力：T=K1*rou*n2*D4=C1*n2 转矩：M=K2*rou*n2*D5=C2*n2 功率：PB=C3*n3 柴油机的特性 一 概述 1、指示功率的表达式 Ni =pi vs n i / (0.03 ) KW 2、有效功率的表达式 Ne= Ni m =pi vs n i m / (0.03 ) KW (pe= pi m ) Ne = pe vs n i / (0.03 ) KW 3、参数关系 1) 对一给定的柴油机来讲， vs、i、 为已知常数。因此，Ne 是随 pe 、 n而变的函数： Ne = f（pe 、n ） 2) 输出矩扭Me与Ne之间的关系为： Ne = Me n/9 . 55 或 Ne = f（Me 、n ）或 Me = 9 . 55 Ne /n 式中： Me柴油机的输出矩扭。 3) 输出矩扭Me与平均有效压力pe 之间的关系为： Me = 9 . 55 Ne /n = 9 . 55 Vs pe / (0.03 ) =K pe 式中： Vs柴油机的气缸工作容积总和。 Vs=vs i K对一给定的柴油机来讲， K= 9 . 55 Vs / (0.03 ) =常数。 因此， Me 与 pe 成正比，即与喷油量成正比。记为： Me = f ( pe ) 4) 总结： Ne = f（pe 、n ） Me = f ( pe ) 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，i，e，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，i，e，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和负 荷特性。 柴油机特性分类如下： 柴油机特性 二 、 速度特性 (n变) 1、外特性 n 变， pe一定时，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。定时， 因此，pe 是变化的 。 1）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。 2）外特性的种类 根据柴油机工作时的强化程度不同，其又可分为： （1）极限功率外部特性曲线（简称极限外特性线）（平均有效 压力pe1 ） 含义：柴油机热负荷和机械负荷达到极限程度。 （2）冒烟外特性线（又称为15分钟功率特性曲线） 含义：柴油机热负荷非常高，表示开始冒烟与不冒烟的分界线 。（平均有效压力pe2 ） pe2=(0.850.92) pe1 （3）超额外特性线（又称为1小时功率特性曲线） 含义：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1小时。 （4）额定外特性线（又称为12小时功率特性曲线） 含义：柴油机热负荷和机械负荷适中，能较长时间持续工作（ 不小于12小时）。由工厂台架试验定确。做船用主机时，持续工作 时间不应超过12小时。 船舶规范规定：船用主机的超额功率为额定功率的110%，最 大转速nmax为额定转速nH的103%，此时柴油机持续运行1小时不应 冒黑烟。 （5）持续功率外特性线（又称为持久功率外特性线） 含义：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。 持续功率为额定功率的90%，转速为额定转速nH的100%。 （6）部分功率外特性线 含义：柴油机热负荷和机械负荷较底，喷油量更小。 （7）等转矩限制外特性线 设 Me = MeH = 常数 则 Ne = MeH n / 9.55 = A n 式中： MeH柴油机额定功率和额定转速时的转矩, A 常数. 含义：柴油机在全部转速范围内，在此线下，柴油机和轴系 都可安全工作。 （8）最底负荷限制外特性线 （9）最高转速限制线 （10）最底转速限制线 船用柴油机的工作范围： 2、推进特性 (n变，Pe也变） 柴油机作为船用主机带动螺旋桨时，两者关系是： 1）两者保持能量守恒； 2）运动一致。 由船舶原理知低速排水量型船舶，其螺旋桨吸收的功率与 转速的三次方成正比，即： Ne= 我们把柴油机的工作按照 Ne= 的规律的变化关系称为 柴油机的推进特性 三、 负荷特性 (n不变，Pe变） 柴油机带直流发电机时要求电压不变，带交流发电机时要 求周波数不变，因此柴油机应恒速运行。当外界负荷变化时通 过改变Pe来进行调节。 船用柴油机推进特性曲线 四、柴油机的万有特性 图1-18 船用柴油机特性曲线综合图(1) 图1-18 船用柴油机特性曲线综合图(2) 第5章 船、机、桨工况配合特性 一 、 研究船、机、桨工况配合的目的 二 、 船、机、桨三者的关系 三 、 研究船、机、桨配合的原则和方法 四 、 研究的范围 1、工况配合的分类和研究范围 1）稳定（静态）工况时的配合特性 （1）设计工况时的配合特性 （2）非设计工况时的配合特性 2）过渡（动态）工况时的配合特性 （1）起航、加速工况时的配合特性 （2）转向工况时的配合特性 （3）倒车工况时的配合特性 2、稳定（静态）工况的含义 5-1 船、机、桨工况配合概述 船、机、桨稳定（静态）工况配合曲线 一 、设计工况时的配合特性 功率转速（航速）坐标系 1、工况配合特性曲线图的构成 5-2 单机、单桨推进装置工况配合特性（稳态） （以直接传动为例） 设计工况配合特性曲线图（1） 设计工况配合特性曲线图（2） 设计工况配合特性曲线图（3） 2、设计工况配合特性分析与讨论 1) A点为船、机、桨的设计工作点，在A点航行时的 航速为设计航速。 （1）桨在设计状态下工作，具有最佳效率。 （2）柴油机在额定负荷（MH)和额定转速（nH）下运行， 发出额定功率（NeH) ，桨收到主机的全部功率，主机的功率被充分 利用，耗油率（ge）低。 （3）船以设计航速航行，船、机、桨实现最佳配合，推进装置 获得最高效率。 2）C为高于设计航速（VsH）的工作点，即VsCVsH 。 （1）船、机处于设计载荷时的特性线1BA上，阻力特性不变（J 不变）,螺旋桨效率等于设计效率。 （2）柴油机为适应螺旋桨的需要，增加负荷（加大喷油量）和 提高转速，超负荷运行，工作状态变化，性能下降（影响寿命）， 故只能在特殊情况下短期运行。 3） B为低于设计航速（VsH）的工作点，即VsHVsB 。 (1) 船、桨特性不变（J不变），螺旋桨效率等于设计时的效 率。 （2）主机处于部分负荷下工作（如4B特性线），主机的功率 不能充分利用，耗油率（ge）上升，效率也降低。 4）在设计工况下（即设计载荷下），船舶增速受主 机超额转速和超额功率的限制；船舶低速航行，则受主机 最低稳定转速和最低负荷的限制。 二 、非设计工况时的配合特性 功率转速（航速）坐标系 1、工况配合特性曲线图的构成 非设计工况配合特性曲线图 2、非设计工况配合特性分析与讨论 1）螺旋桨沿着重载工况推进特性线3B1曲线工作时， 受主机额定转矩的限制，只能沿着额定负荷特性线2BA曲 线工作，机、桨配合工作点为B。 （1）螺旋桨离开设计条件，效率降低。 （2）主机转速被迫下降，虽然发出额定转矩，但功率未达到额 定值，效率降低（ge上升）。 (3) 船速降低。 （4）结果是推进装置的功率不能全部利用，经济性降低，航速 减慢。 2）螺旋桨沿着轻载工况推进特性线4C曲线工作时， 受主机额定转速的限制，机、桨配合工作点只能平衡于C 点。 （1）螺旋桨离开设计条件，效率降低。 （2）主机受额定转速的限制，只能按部分负荷特性线5C曲线工 作，虽然转速达到额定值，但发不出额定功率。 （3）航速稍有升高，因为J2J0 ,并且nc nH。 （4）结果是机、桨性能下降，主机的功率未能全部被利用，推 进装置的经济性降低，航速稍有升高。 4）在非设计工况下（即非设计载荷下），主机额定 功率未能全部被利用的原因是：当轻载工况时，受主机额 定转速的限制，转矩未达到额定值；当重载工况时，受主 机额定转矩的限制，主机转速未达到额定值。 三 、结论 1、单机、单桨直接传动推进装置只有一个最佳配合 工作点，即在设计载荷时的设计工作点（A)。 2、在非设计工作点工作时，推进装置功率不能全部 利用，综合效率下降，经济性变坏。 3、因此，这种推进装置对工况和载荷多变的船舶不 太适应，而对工况稳定的（如海洋和沿海运输）船舶，则 能发挥其优越性。 四 、主机轴带负荷式 1、目的: a)节能; b)减少机电设备的规模和数量; c)降低初投资。 2、工况配合特性分析与讨论 3、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） 4、剩余功率的表达式 1) 转速为n时的余功 N=Ne-Np=NeH(n/nH)- NeH 2) 最大余功的表达式及此时的转速 令 N= NeH(n/nH)- NeH =0 （对转速n求导） 得到 ：NeH - 3NeH = 0 3 =1 n/nH= 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） 剩余功率的概念及其范围 一 、条件与假设 1、不考虑传动损失，即c = 0 ；推进效率t = 1。 2、运动一至，能量守恒。 对船、桨有：2Pe=R, 2Np=NR; 对机、桨有：np=ne, Mp=Me, Np=Ne。 二、工况配合特性曲线图的构成 功率转速（航速）坐标系 5-3 双机、双桨推进装置工况配合特性（稳态） （以直接传动为例） 双机、双桨工况配合特性曲线图 三、 设计载荷下的工况配合特性分析 1、在A0点航行； 船以设计航速航行，船、机、桨实现最佳配合，推进装置获得 最高效率。 2、在A-B段航行时； 船速比较低。 3、在B-1段航行时； 船速更低。 1）双桨同时工作； 2）单桨工作（拖桨工况）。 KQ=Q/ 四、讨论及应用意义 从低航速的要求与柴油机的负荷和转速的关系来考虑： 假设：当航速降至40%的设计航速时： 1、双桨同时工作时，每台机的负荷大约为： Ne= 2、单桨工作时，工作机的负荷大约为： Ne 26.4% NeH，即Ne12.8% NeH 。 一 、海上功率储备 1、主机能力储备（EM) 2、海况储备(SM) 二、主机选型 1、合同功率和转速的概念(CMCR,nCMCR) 2、主机选型问题 在合同功率和转速与标称功率和转速不相同时如何选 机，例题说明： 5-4 海上功率储备和主机选型 设有一顶推轮，拖曳速度为13km/h,经螺旋桨初步设 计并考虑10%的海况储备后得； CMCR=1500kw , nCMCR=500r/min ， i0=1.83(齿轮箱的速比已选定) ， 螺旋桨要素（D,H/D,AE/A0,Z）=(1.7m,1.2,0.57,4),可供 选择的主机参数如下表，问A,B和C哪台机符合要求？ 机型 参数 A B C MCR(kw) 1500 1600 2100 nmin(r/min) 600 700 700 设MA, MB, MC分别是三台机扣除10%储备后螺旋桨设 计扭矩（即可供给螺旋桨的扭矩），所以有： MA=(0.9NA/nA)i0=(0.91500/600)(60/2) 1.83 = 39.34 kN.m MB=(0.9NB/nB)i0=(0.91600/700)(60/2) 1.83 = 35.97 kN.m MC=(0.9NC/nC)i0=(0.92100/700)(60/2) 1.83 = 47.21 kN.m 要求的螺旋桨设计扭矩为： M0=(0.9N0/n0)i0=(0.91500/500)(60/2) 1.83 = 47.21 kN.m 因此只有C机满足要求。（但主机功率富余量较大， 在设计工况主机的功率和转速均未达到额定值，初投资增 加了。） 如果要选用A机或B机，则必须修改减速比（螺旋桨设 计参数不变）。 因为螺旋桨设计为： np0=nCMCR/i0=500/1.83=273.22 r/min 如果选用A机，则： iA= nAMCR/ np0=600/ 273.22 =2.196 （此时，MA=47.208 kN.m，最合适。） 如果选用B机，则： iB= nBMCR/ np0=700/ 273.22 =2.562 （此时，MB=50.358 kN.m，偏大。） 3、齿轮箱减速比选择问题 以上例的A机为对象，在不重新设计螺旋桨的情况下： 1）如果选择的齿轮箱减速比i1 iA（2.196）,对A机来 说，螺旋桨显得“重” 了。 2）如果选择的齿轮箱减速比i2iA （2.196）,对A机 来说，螺旋桨又显得“轻” 了。 分析如下： 分析如下： 及Mp=iMe 在不修改螺旋桨要素时，其KQ，D都为常数，也为 常数。于是对同一主机的转速neA时，所需的主机输出扭矩 Me与速比呈反比关系，如下图所示： 述引： 在分析定矩桨推进装置的工况配合特性后可知： 1）当船舶在的稳定设计满载工况下航行时，主机能 发出全部功率额定扭矩(MeH )和额定转速（nH），船舶 则达到额定（设计）航速； 2）当船舶转入轻载工况下航行时，主机不能发出额 定扭矩(MeH )是受额定转速（nH）的限制， 因此发不出额 定功率。 3）当船舶转入重（超）载工况下航行时，主机受额 定扭矩(MeH )的限制，达不到额定转速（nH），也发不出 额定功率。 5-5 可调桨推进装置工况配合特性 定矩桨推进装置在船舶偏离设计工况时，不能发挥主 机的全部功率。其原因从螺旋桨原理来分析则是工况变化 时，船速发生变化，螺旋桨的水流有效冲角k发生了变化 ，使螺旋桨上的水动力扭矩M与柴油机的额定扭矩(MeH ) 不平衡。如果能通过调整螺矩大小，保证k大小不变，则 可保证M= MeH ，于是就出现了可调螺矩螺旋桨，较好地 解决了上述问题。 一、概念 根据螺旋桨螺矩的不同特征有： 1）可调螺矩螺旋桨； 2）可控螺矩螺旋桨； 3）变螺矩螺旋桨； 4）定螺矩螺旋桨； 5）可变螺矩螺旋桨。 二、可调桨的工作特性 1、定螺矩螺旋桨的水动力特性： 只有一组工作曲线，如下图所示。 由图可知:定螺矩螺旋桨的进速系数J与推力系数KT和 扭矩系数KQ一一对应。 定螺矩螺旋桨的水动力特性图 2、可调螺矩螺旋桨的水动力特性： 可调螺矩螺旋桨可视为一系列同一直径的具有不同螺 矩比的定螺矩螺旋桨的组合，因此，它的工作曲线为一簇 。这样，在相同的进速系数J下，有无数个推力系数KT和 扭矩系数KQ与之对应。其工作曲线如下二图所示： p= 故可调螺矩螺旋桨的推力和扭矩不仅随转速而变，同 时也随着螺矩比的改变而变化。其函数关系如下： 即当J一定（ J=常数）时，根据螺旋桨水动力特性方 程式和水动力特性曲线图，可知： P = f (n , KT) ， 又 KT= f (H/D) ， M = f (n , KQ) ， 又 KQ= f (H/D) ， P = f (n , H/D) ， 同理： M = f (n , H/D)。 可调螺矩螺旋桨所有的工作特性都是基于其螺矩比 (H/D)可变的原因。 3、可调桨的工作特性 1） KQ= 常数时，表明在任何航速（工况）下均可充 分利用主机的全部功率。 KQ= 常数即表示在KQJ曲线图上为一条直线，如下 工作曲线图所示。 由于： 所以，当n及D已给定，KQ=常数时，即代表Ne一定。 又因为J=Vp/nD，所以 J即能代表Vp,因此这一曲线（直线 ）表明了在任何航速（工况）下均可充分利用主机的全部 功率。并可概括如下： n=常数，Ne =常数，可得一常数KQ，而Vs(或J)变化， H/D变化。 2）船舶在任何工况下均可保持机桨转速（或航速） 恒定。 根据螺旋桨水动力特性方程式可知： 对可调桨来讲有P=f(n,H/D) 又根据“螺旋桨法则”： （1）螺旋桨转速与船航速成正比关系；（npVs） (2) 螺旋桨推力和扭矩与船航速的平方成正比关系； (3) 螺旋桨吸收功率和轴功率与船航速的立方成正比 关系。 由上曲线图可以得出可调桨下列特性。 （1）在给定转速（n=C）下，在此曲线上可得到任一 航速。 使用意义： a. 恒速运转轴带负荷（如发电机）； b.主机不反转，船可实现由正航最大航速到倒航最大 航速的航行。（见下推导） 注：可调桨同一个J时代表的工况（载荷）不是唯一 的，这是与定螺矩螺旋桨不同的。 （2）在给定的航速（Vs=C）下，在此曲线上可找到螺 旋桨效率最高的螺矩比和相应的转速。 使用意义： a. 在同样的航速（Vs=C）下，可减少轴功率。并可得 到p=f(n)的曲线。 b. 在同样的航速（Vs=C）下，有各种不同的n和H/D的 配合，来满足所需的功率，因此，可找到发动机与之对应 的功率和转速。并可得到e=f(n)的曲线。 c.推进装置的效率取决于e和p的乘积，因此，就可 找出一个极值点，即为机、桨最佳配合点。（对应的功率 、转速和螺矩比都可求出）