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文档简介
1、第第8章章 柴油机特性及选型柴油机特性及选型 8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 柴油机特性柴油机特性 8.3 8.3 柴油机的选型和使用范围柴油机的选型和使用范围 主要内容:主要内容: 柴油机的特性反映出柴油机的动力性、经济性和使用性能,它是柴油机固有的特性。 柴油机的应用场合和工作条件不同,其性能指标和工作参数性能指标和工作参数有很大的差异。 对柴油机特性进行研究是制造和使用柴油机的重要依据。 8.1 概述概述一、船舶柴油机的工况一、船舶柴油机的工况 二、柴油机特性及其分类二、柴油机特性及其分类 主要内容:主要内容:一、船舶柴油机的工况一、船舶柴油机的工况柴油机运转工况柴油机运转工况:
2、 柴油机在各种不同条件下运转的工作状况柴油机在各种不同条件下运转的工作状况(功率与转速)。 根据柴油机在船上应用时的不同条件,概括起来有三类工况三类工况: 1.发电机工况发电机工况 2.螺旋桨工况螺旋桨工况 3.其他工况其他工况 1.发电机工况发电机工况 转速不变而功率随时发生变化的工况。2.螺旋桨工况螺旋桨工况 柴油机柴油机发出的功率和其转速都是改变的。 螺旋桨螺旋桨工作时其吸收功率吸收功率与转速转速的m次方成比例(Pp=cnm)。 通常在稳定运转时,螺旋桨螺旋桨Pp=cn3,相应柴油机柴油机功率与转速的关功率与转速的关系系Pe=cn3,柴油机按此关系运转的工况柴油机按此关系运转的工况称为螺
3、旋桨工况螺旋桨工况。3.其他工况其他工况 柴油机柴油机在此工况运行时,其功率与转速之间功率与转速之间没有一定的关系。 柴油机的转速是由工作机械所需的速度决定的。 而功率则由运行中所遇到的阻力决定。 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,航行条件和运行状态发生变化时。二、柴油机特性及其分类二、柴油机特性及其分类1.柴油机特性柴油机特性主要性能指标主要性能指标: 平均有效压力pe、有效功率Pe、有效转矩Me、有效热效率e和有效油耗率ge 等。工作参数工作参数: 转速n、增压压力pk、最高燃烧压力pz、最高排气温度tr、增压器转速nk 和涡轮机出口温度tT等。柴油机特性柴油机特性:
4、柴油机主要性能指标要性能指标和工作参数工作参数随运转工况运转工况变化的规律称为柴柴油机特性。油机特性。 这种变化规律的曲线形式称为柴油机特性曲线柴油机特性曲线。 2.柴油机特性分类柴油机特性分类 Pe=Cpeni 式中, C和i 为结构参数。 按照运转参数pe和n把船用柴油机特性柴油机特性分为三类三类:第一类第一类: 平均有效压力pe不变,有效功率Pe随转速n改变而变化。-速度特性。第二类第二类: 转速n保持恒定,通过改变平均有效压力pe来改变有效功率Pe。-负荷特性。 第三类第三类: 平均有效压力pe和转速n同时改变。这类特性以推进特性为典型为典型特性特性。 8.2 柴油机特性柴油机特性一、
5、速度特性一、速度特性二、负荷特性二、负荷特性三、推进特性三、推进特性四、四、柴油机的柴油机的限制特性限制特性五、五、柴油机的工作范围柴油机的工作范围主要内容:主要内容:一、速度特性一、速度特性 将喷油泵喷油泵油量调节机构油量调节机构固定固定在某一位置,改变改变柴油机负荷,使转速变化,测得的柴油机主要性能指标和工作参数柴油机主要性能指标和工作参数随转速变化随转速变化的的规律。规律。分类:分类:1 1全负荷速度特性(外特性)全负荷速度特性(外特性)-曲线32. 2. 超负荷速度特性超负荷速度特性-曲线23. 3. 部分负荷速度特性部分负荷速度特性-曲线456Pen Men1 1全负荷速度特性全负荷
6、速度特性(外特性) 将柴油机喷油泵油量调节机构固定喷油泵油量调节机构固定在相当于标定转速标定转速下发出标标定功率定功率的供油位置上,然后通过调节试验负荷,逐步改变柴油机的转速。 在各个稳定转速各个稳定转速下,测取对应的pe、Me、Pe、be、tr、pk、nT等参数值。 由此得到的性能指标及工作参数性能指标及工作参数随转速变化的变化的规律为全负荷速全负荷速度特性度特性。 全负荷速度特性全负荷速度特性可表示为柴油机在不超过标定供油量标定供油量的条件下,各转速下所能发所能发出的最大功率出的最大功率。Pen Men全负荷速度特性曲线-曲线31)测量应遵循统一试验标准测量应遵循统一试验标准: 标准试验环
7、境状况和试验功标准试验环境状况和试验功率。(1)我国国家标准规定的标准试验环境)我国国家标准规定的标准试验环境- 大气压力:p0=100kPa 或750mmHg- 相对湿度:0=30%- 环境温度:T0=298K 或25- 中冷器进口冷却介质温度: Tc0=298K 或25。(2) “无限航区无限航区”的船用内燃机标准环境遵循的船用内燃机标准环境遵循IACSIACS规定规定的环境的环境- 大气压力:p0=100kPa 或750mmHg- 相对湿度:0=60%- 环境温度:T0=318K 或45- 中冷器进口冷却介质温度: Tc0=305K 或32。2 2)标定功率)标定功率 指标准环境状况下,
8、制造厂根据内燃机的用途和特点规定的在标定转速下的有效功率有效功率(kW)。按不同用途分为按不同用途分为: 15min 15min 功率功率; ; 1h 1h 功率功率; ; 12h 12h 功率功率; ; 持续功率。持续功率。我国:持续功率持续功率作为船用柴油机的标定功率标定功率; 国外:船用柴油机的最大持续运转功率MCR为标定功率标定功率。 (MCR-Maximun Continuous Ratings)2超负荷速度特性超负荷速度特性 船用柴油机的超负荷功率:船用柴油机的超负荷功率: 我国船用柴油机标准规定,超负荷功率超负荷功率为标定功率的110%(与之对应的转速对应的转速为标定转速的103
9、%),并且在12h 运转期内允许超负荷运允许超负荷运转转1h。Pen Men超负荷速度特性曲线速度特性曲线-曲线23. 3. 部分负荷速度特性部分负荷速度特性 如果将喷油泵油量调节机构喷油泵油量调节机构固定在小于标定功率油量标定功率油量的各个位置上,分别测得的柴油机的主要性能指标和工作参数柴油机的主要性能指标和工作参数随转速变化的关系。 可测得若干条柴油机部分负荷速度特性曲线Pen Men部分负荷速度特性曲线速度特性曲线-曲线4、5、6柴油机负荷特性二、负荷特性二、负荷特性 在转速保持不变转速保持不变情况下,柴油机主要性能指标和工作参数随随负荷负荷变化的变化的规律。规律。 试验时,先将柴油机调
10、定在标定转速下稳定运转并保持转速不变,由小逐渐增大柴油机负荷,在各负荷下分别测取柴油机主要性能指标和工作参数并绘制成曲线,为负荷特性曲线负荷特性曲线。 负荷特性一般在负荷特性一般在标定转速标定转速下测取的下测取的,为更 全面了解柴油机特性,可在低于标定转速 的若干转速下测取负荷特性。作用:作用: 比比较不同柴油机的性能或评价同一柴 油机的结构设计改变或调整后的效果; 标定柴油机的功率; 绘制万有特性曲线(柴油机各种性能参数 相互关系的综合特性曲线) 三、推进特性三、推进特性 机、桨总应能量平衡机、桨总应能量平衡 PePp;MeMp 根据螺旋桨理论螺旋桨理论,螺旋桨推力推力F FP P和扭矩和扭
11、矩M MP P与转速转速的关系: Fp=KFnpD4 Mp=KMnpD5式中式中:水的密度; D螺旋桨直径;np螺旋桨转速; KF推力系数; KM扭矩系数。 KF 、KM均为进程比均为进程比p的函数的函数,与p的关系由实验测得(KF,KM随p增大而减小;随p减小而增大)。 螺旋桨水动力特性 进程比进程比p p: 指螺旋桨螺旋桨每转一转实际产生的位移与螺旋桨直径D 之比。 pvpnphp式中:hp-螺旋桨每一转的进程;vp-船速。 p随航行阻力条件变化,阻力条件一定,p不变,则KF 、KM不变,推力推力F FP P和扭矩和扭矩M MP P为为: Fp=C1np Mp=C2np 螺旋桨所需功率螺旋
12、桨所需功率: Pp=Mpnp/9550可得出螺旋桨螺旋桨功率与转速功率与转速的关系式的关系式: : Pp=Cnp3 (kW)螺旋桨特性曲线螺旋桨特性曲线: Pp- np, Mp- np的关系曲线。航行阻力条件变化时螺旋桨特性的变化航行阻力条件变化时螺旋桨特性的变化: : 船舶工况是变化的,不同的航行条件下对应不同p值,p不同时,同一转速下螺旋桨的扭矩和吸收功率相应有不同的值螺旋桨的扭矩和吸收功率相应有不同的值。 不同p 值时螺旋桨功率与转速的关系曲线:螺旋桨功率与转速的关系曲线: 螺旋桨吸收功率等于主机功率螺旋桨吸收功率等于主机功率: e= Ppnp3(kW)柴油机的推进特性柴油机的推进特性:
13、 柴油机按照螺旋桨特性工作时,各性能指标和工作参数随转速(或负荷)变化的规律。 四、柴油机的限制特性四、柴油机的限制特性柴油机的限制特性柴油机的限制特性: 限制柴油机在各种转速下的最大有效功率,使柴油机的机械负机械负荷和热负荷荷和热负荷不超出为保证它可靠工作而规定的允许范围。 限制因素限制因素: 最高爆发压力pz、平均有效压力pe、曲轴转矩Me、过量空气系数、排气温度tr 以及涡轮增压器转速n等参数。 常用限制因素常用限制因素: Me、和 tr 。1. 等扭矩限制特性等扭矩限制特性 柴油机在各种转速下的扭矩值各种转速下的扭矩值Me 都等于或小于标定转速和标标定转速和标定功率下的扭矩定功率下的扭
14、矩Mb。 Me=9550Pe/n ,Mb=9550Pb/nb; 如 Me=Mb, 则Pe=Pb/nbn=cn 在Pe-n坐标系中的等扭矩限制特性线等扭矩限制特性线是通过坐标原点,斜率为c的直线(如图直线2)。 如果主机主机在全部使用转速范围内都在等扭矩限制特性曲线以下工作等扭矩限制特性曲线以下工作,则保证曲轴的机械负荷不超过允许值。2.2.等排气温度限制特性等排气温度限制特性对热负荷的限制对热负荷的限制: : 过量空气系数,工作循环平均温度tm, 实际应用中和tm难以直接测取,以平均排气温度tr代替来表示热负荷。等排气温度限制特性等排气温度限制特性: 柴油机在各种转速下的排气温度值排气温度值t
15、 tr r都等于或小于标定转速和标定转速和标定功率下的排气温度标定功率下的排气温度t tr r。 柴油机的限制特性是对柴油机的限制特性是对机械负荷和热负荷两个方面的限制。 柴油机限制特性:柴油机限制特性: 在标定转速标定转速n nb b 下降下降初期以转矩作为主要限制参数以转矩作为主要限制参数,后期则以排以排气温度作为主要限制参数气温度作为主要限制参数。 限制特性曲线:限制特性曲线:五、柴油机的工作范围五、柴油机的工作范围 为了使船用柴油机经济、稳定和可靠地工作并具有较长的寿命,使船用柴油机经济、稳定和可靠地工作并具有较长的寿命,必须对运行时可能达到的功率Pe(或平均有效压力pe和转矩)和转速
16、n作适当的限制限制,即确定一个允许的运转范围。 1. 1. 柴油机在各种转速下允许达到的柴油机在各种转速下允许达到的最大功率最大功率2. 2. 柴油机在各种转速下的柴油机在各种转速下的最小功率最小功率3. 3. 柴油机在各种负荷下可达到的柴油机在各种负荷下可达到的最高转速最高转速4. 4. 柴油机在各种负荷下可能达到的柴油机在各种负荷下可能达到的最低转速最低转速1-等排烟温度限制线等排烟温度限制线2-全负荷速度特性全负荷速度特性3-等转矩限制线等转矩限制线4-超负荷速度特性超负荷速度特性 5-标定负荷调速特性标定负荷调速特性6-超负荷调速特性超负荷调速特性7-标定转速标定转速8-最低负荷速度特性最低负荷速度特性9-全负荷速度特性最低稳定转速全负荷速度特性最低稳定转速10-推进特性最低稳定转速推进特性最低稳定转速11-推进特性推进特性船用柴油机的允许运行区域船用柴油机的允许运行区域 8.3 柴油机的选型和使用范围柴油机的选型和使用范围 一、柴油主机的选型区域柴油主机的选型区域 二、约定最大持续功率的确定需考虑因素约定最大持续功率的确定需考虑因素 主要内容:主要内容:一、柴油主机的选型区域一、柴油
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