动力装置特性曲线

1、动力装置特性曲线第1页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一船、机、桨的能量关系船舶航行时需要螺旋桨提供推力以克服船舶阻力，使船舶以稳定的航速航行，也就需要主机提供旋转力矩以克服螺旋桨的旋转阻力矩，使得螺旋桨在稳定转速下运转，这样，就构成船、机、桨的能量转换系统。第2页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一特性和特性曲线（一）特性广义地说，它反映船、主机（推进机组）和螺旋桨的主要技术经济指标（功率、扭矩、主机的燃油消耗率和排气温度等）随其转速或航速的变化关系。船的特性可用随航速变化的阻力特性来表示。螺旋桨的特性受到螺旋桨的结构和水动力因素的影响，常用推力和扭矩来

2、表示。主机的特性主要用其柴油机的供油量、平均有效压力、轴的输出扭矩及功率等随转速（航速）的变化关系表示，并受到推进装置的组成和型式的影响。包括：（1）主机是否采用增压，是采用高速机还是低速机等；（2）传动方式与设备的影响：是直接传动还是间接传动（电传动，液力传动，减速传动；并、分车；离合器型式等）；（3）轴系的数目：单轴系、多轴系等。（二）特性曲线把船、机、桨三者随转速或航速变化的一些技术经济参数分别或集中地在图上用曲线表示出来，此曲线就是特性曲线。第3页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一配合 在某一工作条件下，船、机、桨三者的转速与能量均相等的点称为“配合点”，也称为“平

3、衡点”。在船舶设计转速和负荷条件下的配合点，称为设计配合点，船舶在此点运行，就可得到设计航速，其螺旋桨效率较高，但是此航速下不一定是经济航速。当三者中某一方的能量和转速发生变化时，都会使平衡点发生变化，在新的条件下的形成新的平衡点，并偏离设计平衡点，这时，转速、功率和效率等参数都将发生相应变化。第4页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一工况和变工况工况指船、机、桨三者配合工作时的运转工况。这种运转状况有以下几种：以转速（或航速）为变量的工况、以负荷为变量的工况、以转速（或航速）和负荷同时均为变量的工况。变工况是指船、机、桨在非设计工况下工作的一切运行工况的统称。变工况经常发生

4、，例如：（1）船舶航行条件的变化，即当船舶遇到风浪、潮水、上滩或载量变化，其工况就会发生变化。（2）机动操纵引起的变化，即船舶在起航、加速、减速、转弯、倒退等工况的变化。（3）船、机、桨本身的性能变化，即主机与轴系长期使用后效率的下降、船舶的污底、螺旋桨直径或螺距发生了变化等。第5页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一柴油机的主要参数指示功率的表达式： Ni =pi vs n i / (0.03 ) KW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参数关系

5、 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 ） 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 第6页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 3) 输出矩扭Me与平均有效压力pe (柴油机的强化程度)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

6、/ (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 ) 第7页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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，

7、 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： 第8页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一柴油机特性 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.第9页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 实际上每循环进气量、热态状、指示效率、每循环喷油量、定时等都与转速有关， 因此，pe 是变化的。n

8、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.第10页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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

9、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 外特性第11页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 （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

10、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%。第12页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 （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

11、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：第13页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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

12、变化时通过改变Pe来进行调节。第14页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一船用柴油机推进特性曲线第15页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 四、柴油机的万有特性第16页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 图1-18 船用柴油机特性曲线综合图(1)第17页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 图1-18 船用柴油机特性曲线综合图(2)第18页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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

13、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、桨工况配合概述第19页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一船、机、桨稳定（静态）工况配合曲线第20页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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

14、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第21页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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？第22页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 机型参数 A

15、 B CMCR(kw) 1500 1600 2100nmin(r/min) 600 700 700第23页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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

16、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）。第24页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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：

17、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：第25页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 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

18、示：第26页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一第27页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一5-6 案例分析 1、某设计单位（称简甲方）为一用户设计一条1000t级货船，选用的主柴油机额定功率为185kw,额定转速为850r/min，选用的船用齿轮箱减速比i=7.06，传递能力为0.185kw/r/min,并进行了良好的机桨配合。某船厂（称简乙方）施工时，因设备技术参数、价格等原因，改用减速比i=5.05，传递能力为0.22kw/r/min的船用齿轮箱,其余设备技术参数未变更。实船试航结果分析表明：主机功率及转速均未达到设计工况要求，航速也受到影响。试用图、文分析全程责任点和责任方，理由是什么？第28页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一第29页，共34页，2022年，5月20日，15点6分，星期一 2、一用户需要建造一条以柴油机为主机的顶推拖轮（采用定螺矩螺旋桨），要求顶推量为3500t，航线为重庆上海；上水时有一浅滩，推拖轮以顶推1500t货驳过浅滩，但上滩船速不能小于18km/h（连续航行时间大约2h）。设计单位选取了上滩顶推一只货驳作为设计工况，并按航速18km/h来选取主机功率，好较地完成了设计任务。试问：你能否根据设计任务书的要求，提出一个新的设计方案，并用图、文分析比较两个方案的特点和区别。第