毕业论文-“育鲲”轮机桨工况配合特性及调距液压系统分析

大连海事大学┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊二0一二年六月“育鲲”轮机桨工况配合特性及调距液压系统分析专业班级：轮机08级10班姓名：指导教师：轮机工程学院内容摘要摘要：为了实现船舶安全、经济的运营，本文通过对“育鲲”轮的机桨配合性及调距液压系统进行分析，了解CPP的工作特性及优缺点，总结CPP系统在营运过程中可能出现的故障，并针对故障提出了相应的解决措施及日常维护事项。关键词：调距桨机桨配合液压系统优缺点故障诊断维护ABSTRACT:Inordertomaketheshiprunmoresafelyandeconomical,thisthesisanalyzedthecombinationofthecontrollablepitchpropeller(CPP)andtheengine,andthesystemofthehydraulicsystemofchangethepitch.AndalsofoundtheworkingcharacteristicsoftheCPPanditsadvantagesanddisadvantages.Atlast,wemadeaconclusionaboutthetroublesthatmightoccurduringtherunningoftheCPP.Alsowebroughtoutthemaintenancemeasuresanddailycheckagainstcorrespondingmalfunctions.Keywords:controllablepitchpropeller;combinationofthepropellerandengine;hydraulicsystem;advantagesanddisadvantages;troubleshooting;maintenance目录绪论 “育鲲”轮机桨工况配合特性及调距液压系统原理分析绪论“育鲲”轮是我国第一艘自主研发、设计、建造的现代化专用远洋教学实习船，于2008年4月正式投入使用，主要用于航海类专业的教学实习或代表学校和国家出访，并可进行交通运输工程、航海技术和轮机工程等学科的科学研究和实船实验。“育鲲”轮由武昌造船厂建造，船体总长度116.00米，型宽18.00米，型深8.35米，总吨6106t，设计航速17.3kn，服务航速16.9kn，续航力10000nmile。“育鲲”轮人员编制共236人，其中船员定额40人，学员定额196人。“育鲲”轮采用定速主机和可调距螺旋桨配合的推进方式。本轮主机为MANB&W公司生产的6S35MC柴油机，该机为6缸、直列、增加中冷的低速二冲程十字头式柴油机，最大持续功率4440KW，对应转速173r/min；螺旋桨设计工况点功率为3996KW，对应转速170r/min。螺旋桨由丹麦MAN公司生产的VBS980型可调螺距螺旋桨，为四叶式桨、直径3800mm。“育鲲”轮的调距机构是以液压油为动力源，液压伺服单元用于提供具有一定压力的液压油以驱动调距机构工作，可分别在伺服单元上、集控室和驾驶台对变距桨的螺距进行调节和控制。1调距桨的工作原理及特性1.1螺旋桨的工作原理螺旋桨是一种反作用式推进器，当螺旋桨转动时，桨推水向后（或向前），并受到水的反作用力而产生向前（或向后）的推力，使船舶前进（或倒退）。螺旋桨的压力面是一个螺旋面，螺旋面上母线任一点的旋转一周在轴线方向前进的距离称为螺距H，螺距H与与直径D的比值为螺距比。螺旋桨前进一周在轴线方向上前进的距离为进程hp。进程与直径的比值为进程比λp。当螺旋桨在水中运动时，水被它推向后移，螺旋桨前进的距离要比螺距小，这种现象称为滑失现象。滑失即螺距与进程的差值。滑失与直径的比值为滑失比。1.2螺旋桨的工作特性螺旋桨的推力T=K1ρn2D4（N）螺旋桨的阻力距M=K2ρn2D5（N·m）式中，K1、K2——分别为推力系数和扭矩系数ρ——水的密度，kg/m3D——螺旋桨的直径，mn——螺旋桨的转速，r/s对于几何形状一定的螺旋桨，推力系数K1和扭矩系数K2都取决于进程比λp。由进程比的定义式λp=hp/D=vp/nD可知，对于一定的螺旋桨，λp取决于船舶的航行状态，即取决于船舶的航行工况。因此，当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就有一个固定的λp值，K1和K2也成为常数。螺旋桨的直径D是固定不变的，水的密度ρ也可认为不变，这样可以把螺旋桨的工作性能的基本方程式表示为T=C1n2M=C2n2式中，C1、C2为系数，取决于船舶的航行工况，当船舶在不变的工况下稳定航行时，均为常数。螺旋桨的功率Pp=2πnM，将M=C2n2代入，得到Pp=Cn3式中，系数C也取决于船舶航行工况。1.3调距桨的工作特性根据定距桨功率和转速关系式可知，当船舶航行阻力增加时，只要船舶处于稳定航行状态时，螺旋桨所需功率Pp与其转速n间仍然保持三次方关系，但由于系数C将发生变化，因此螺旋桨特性也要发生变化，如图1所示。由图可见，当船舶阻力增加后，相同的螺旋桨转速下，螺旋桨所需的功率将增加。也就是说，螺旋桨随船舶阻力增加而负荷变重；反之，则变轻。

图1-1船舶阻力对螺旋桨特性影响当外界条件不变而螺旋桨的螺距比H/D改变，船舶处于稳定航行状态时，螺旋桨所需功率与其转速仍然保持三次方的关系，但是因数C的变化，使螺旋桨特性也发生变化。由此可见，同样的航行条件下，使螺旋桨转速保持不变，采用的螺距越小，螺旋桨所需功率也就越小，螺旋桨负荷越轻，反之越重。综合以上两种情况，由船舶阻力变化所引起的螺旋桨特性变化可用变螺距比的方法来补偿，只要螺距比采用得适当，在船舶阻力发生变化时，可使螺旋桨的功率—转速特性曲线保持在原来的位置，也就可以用变螺距的方法去适应船舶工况的变化。对于定距桨，它只有一组工作特性曲线，并且当λp=常数时，它的推力、阻力矩、功率和转速之间的曲线只有一条；而调距桨，则可以把它视为一系列同一直径的具有不同螺距比的定距桨的组合，所以它的特性曲线是由多组类似于定距桨的工作特性曲线共同组成的。把调距桨的工作特性曲线绘成图2的形式，由图可见，在阻力因素不变的情况下，螺距越大，则相同转速下的推力就越大，转矩也越大，因而当船舶阻力发生变化时，可通过调整螺距比来控制螺旋桨转速和转矩及推力之间的关系，即可满足船舶阻力变化的需要。图1-2调距桨工作特性曲线1.4调距桨的优缺点与定距桨相比，调距桨具有以下优点：（1）对航行条件适应性强：如图2右图，经纵坐标的0.26点画一条与横坐标轴平行的直线，此线是等转矩系数线，它和一系列等螺距线相交。由此可以看出，无论船舶阻力如何变化，只要取得合适的螺距比即可使K2保持不变，根据公式M=K2ρn2D5，由于定距桨的主机在运行时转速n不变，桨直径D不变，水密度不变，则转矩保持不变。例如，当在λp=1.0时，选用H/D=1.2；当λp=0.7时，选H/D选用0.9，两种情况K2相同。因此航行条件改变的情况下，可以通过调节螺旋桨的螺距比H/D，就可使螺旋桨的转矩不变，主机就可以可以保持原转速不变，并发出原功率。因此不论船舶在任何工况下，调距桨均能给予主机发出全部功率的能力，船舶可获得较高的航速并获得较大的推力。（2）动力装置的经济性好：相较于定距桨唯一的效率线，调距桨有一条最佳n—H/D匹配曲线，可以兼顾螺旋桨效率和主机燃油消耗率，获得较好的经济性。（3）提高了船舶的机动性；船速可以通过改变主机转速和桨的螺距来实现，船舶的进退是通过改变螺距角的正负来实现的，因此调距桨船舶的机动性可以体现在下面三个方面：螺距角的正负转换比主机换向时间短，尤其在船速较高时；可以给出更大的反向推力；可以进行无极调速，即使主机转速较高也可以实现较慢的船速，完全不受主机最低稳定转速的限制。（4）有利于驱动辅助负载：主机以恒定的转速运转，对使用轴带发电机或使用轴带设备的船舶非常有利。（5）延长了发动机寿命：由于调距桨的变螺距功能,减少了主机起、停及改变转速的次数，以此减少了运动部件的磨损和受热部件的热疲劳损坏,大大延长主机的寿命,减少主机的维修时间和维修费用。（6）便于实现遥控：螺距的调节一般在驾驶台由驾驶员直接操作，整个遥控系统较简单、容易实现。采用调距桨的主要缺点有：（1）调距桨和轴系的构造复杂，制造工艺要求高，造价较高。（2）桨毂中的转叶机构零件较多，而空间又小，可靠性不如定距桨,一旦损坏必须进坞维修，造成巨大损失。（3）在相同情况下，调距桨由于桨毂部结构较定距桨复杂，使得其毂径比（d/D）较大。在相同的设计工况时，其效率要比定距桨低1%～3%。（4）调距桨桨叶根部由于受叶根法兰尺寸限制和布置固定螺栓的需要，使叶根剖面宽度较小，为保证根部强度，叶根厚度相应增加，使桨叶根部容易产生空泡。2调距桨船的机桨工况配合特性2.1螺旋桨的推进特性由上述可知T=C1n2M=C2n2Pp=Cn3式中C1、C2、C取决于船舶的航行工况，n为螺旋桨的转速。上述公式说明推力和扭矩与转速的平方成正比，对于同一条船舶，当外界航行工况发生变化时，阻力发生变化，螺旋桨的负荷也就发生变化，因此系数C1、C2也就发生变化，推力和扭矩与转速的关系就变成了另外一条二次曲线，因此推力和扭矩与转速的关系可以用一组二次曲线来表示如图3（左）所示。公式中的系数C也由螺旋桨的工作状态即船舶的航行工况决定，由一组三次方曲线组成。如图3（右）所示。图2-1上面是定距桨的功率与转速的关系，调距桨的功率还与第二变量螺距比H/D有关。当航行阻力不变时即λ为常数，螺距每调整一次，特性曲线就变化一次，H/D越大，曲线越陡。H/D与功率的关系可以由图4所示。图2-22.2柴油机的功率输出柴油的功率输出表达式为Pe=peVsnmi/60000(kw)式中：pe—平均有效压力，PaVs—气缸工作容积，m3n—柴油机转速，r/minm—每转工作行程数,四冲程m=1/2,二冲程m=1i—气缸数对于既定的柴油机其VS和m为定值，为简化计算，令VSm/60000为C，C成为气缸常数。则上面的公式可以简化为Pe=Cpeni（kw）2.3正常航行条件下的机桨工况配合特性由于“育鲲”轮在航行时AT2000-PCS采用的是定速控制模式，因此以下分析是建立在定速模式的基础之上。在忽略传动机组（齿轮箱）及轴系的传动损失的情况下，柴油机所发出的功率Pe等于螺旋桨所吸收的功率。“育鲲”轮是单机配单桨直接传动方式,忽略传动损失Pe=Pp；Me=Mp；ne=np在正常航行时，由于“育鲲”轮主机转速保持恒定，为170r/min，气缸为6缸，根据公式Pe=Cpeni（kw）式中C、i、n均保持不变，可以看出，柴油机的输出功率Pe只和每循环的平均有效压力pe成正比，平均有效压力pe可近似的认为和柴油机每循环的供油量有关，当供油量一定时，平均有效压力pe不变，则柴油机的输出功率Pe不变，与螺距比H/D无关。由图2-2可以看出，在转速不变的情况下，螺旋桨的吸收功率随着螺距比H/D的增大而增大，则“育鲲”轮的机桨配合特性可近似如下图所示。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—螺旋桨的的推进特性；1、2、3—柴油机在各平均有效压力下的功率，Pe=f（pe）曲线；H1>H0>H2图中1、2、3分别为主机在超负荷、额定负荷、部分负荷功下的工作曲线，曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为标定工况下的螺旋桨阻力特性曲线、船舶阻力增加下的螺旋桨阻力特性曲线、船舶阻力减少下的螺旋桨阻力特性曲线。为了分析方便，忽略储备功率及传动损失，即图中的A是额定功率Pe,并位于MCR点上。▲机配桨条件下的机桨配合情况当船舶航行在良好的海况，（风浪较小，对船舶阻力影响不大）条件下，由于船舶的吃水及船体的清洁度不会发生大的改变，近似认为螺旋桨工作在推进曲线Ⅰ，在此条件下，假设船舶现航行于机桨配合点B，对应主机功率为Pb，对应螺距比为H1/D，现在需要提高航速，由于主机转速恒定，只有增大螺距比，当螺距比增加到H0/D时，功率也要增加到PMCR，配合点移动到A点时，这样船速就加快了。当需要减速时，只需较小螺距比到H1/D，主机功率会自动从PMCR降到Pb。▲桨配机条件下的机桨配合情况假设主机现在按标定工况工作于A点。当外界阻力变大时，如航行在恶劣海况，顶风顶浪，或者吃水增大及船体清洁不良时，螺旋桨的推进特性曲线将变陡，如成曲线Ⅱ所示，这种配合情况称为“桨重”。如果此时仍保持原有螺距比H0/D不变，主机将超负荷运转，这种情况只允许短时工作，不允许长时间运转。由于“育鲲”轮配有变距桨，此时可以改变螺距比，使其螺距比变成H1/D，工况配合于d点，则主机仍能发出全功率，不会出现超负荷运转。当外界阻力减小时，如航行时顺风顺浪，或者吃水减小或者船体清洁良好，此时螺旋桨将按推进曲线Ⅲ工作。如果此时仍保持原有螺距比H0/D不变，主机将按部分负荷曲线工作，工况配合于b点，不能发出全部功率，这种情况称为“桨轻”。由于调距桨可以改变螺距比，此时使螺距比增大到H2/D，使工况配合c点，主机仍能发出全功率。无论外界阻力如何变化，调距桨都能使主机发出全功率。“育鲲”轮通过AT2000-PCS系统实现上述操作。3“育鲲”轮调距桨（CPP）装置3.1CPP装置的组成CPP装置由调距桨、传动轴、调距机构、液压系统和操作系统组成调距桨包括可转动的桨叶、桨毂和桨毂内部装设的转叶机构等。转叶机构（见下图）采用曲柄滑块机构，将往复运动转变为回转运动的机构。图3-1转叶机构示意图传动轴一般由螺旋桨轴和配油轴组成，两者用套筒联轴器相连。这种传动轴和定距桨的传动轴不同，它是中空的，伺服油缸位于桨毂内，传动轴内是进、排油通道。调距机构包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞，分配压力油给伺服油缸的配油器，桨叶定位和桨叶位置的反馈装置及其附属设备等。它的主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。调距是短暂的，稳距是长期的。液压系统主要由油泵、控制阀（换向阀）、油箱和管件等组成。它的作用是为伺服油缸提供符合要求的液压油。操纵系统主要由操纵台、控制和指示系统组成。它的作用是按预先确定的控制程序同时调节发动机的转速和调距桨的螺距，以获得所要求的工况。在调距桨装置中还设有应急锁紧桨叶装置，利用它可在应急情况下（例如液压系统失灵），把桨叶固定在一定的正螺距值上，使调距桨变为定距桨。“育鲲”轮调距桨推进装置采用单手柄控制，由AT2000-PCS系统来实现。AT2000-PCS系统的操作模式有独立控制模式、螺距控制模式和联合控制模式。单独控制模式即主机和螺距分开控制；螺距控制模式即主机以额定转速运转，手柄变化的位置仅控制螺距的变化；而联合控制模式，操纵手柄位置变化时，同时发出控制螺旋桨转速n和螺距H/D最佳配合的指令，按设定程序工作。3.2CPP液压系统工作原理下图为“育鲲”轮液压伺服系统原理图调距工况：当操纵台给出后退调距指令后，指令通过伺服遥控箱2传到比例调节阀7的右端，右端通电，比例调节阀工作于右为，P与A相通，B与T相通，液压油柜14中的液压油经滤器29由电动伺服油泵28加压后过止回阀13，压力滤器20，比例调节阀的右位进入管道A，经软管25进入配油环，再经过液压锁23配油轴6中的管道进入伺服活塞9的右端，伺服活塞左端的液压油经配油轴6中的管道再经液压锁23流到比例调节阀的BT口，经液压冷却器15，止回阀13滤器12回到液压油柜14，伺服活塞则在两侧液压油压力差的作用下向左移动，通过十字滑块和曲柄机构带动桨叶回转。与此同时，伺服活塞9还带动活塞杆5和位置变送器3、4，将桨叶的动作反馈给伺服遥控箱2，当达到要求的桨叶角时，调距指令取消，比例调节阀7失电，阀芯回中，液压锁23锁闭，调节过程结束，位置变送器4将活塞杆的位置传送到操纵台的桨叶角指示器，即螺距指示器显示螺距大小。A、B管中的液压油经泄油口T回到液压油柜14。稳距工况：液压锁23锁闭后，伺服活塞两侧的油都被液压锁23封闭在伺服油缸中，靠油液的不可压缩性将桨叶固定在所要求的位置上。伺服油压调节阀8的作用是调节系统中的工作油压。在不进行螺距调节时，A、B管中的液压油泄放，双止回阀22没有压力油输出，此时伺服油压调节阀8的外控口没有压力油输入，伺服油压调节阀8就将比例调节阀7前的油压调节在20bar。当进行变螺距操作时，无论比例调节阀7工作于左位或右位，A、B管中始终有一个管中有高压油，则双止回阀22的输出端有压力油输出即伺服油压调节阀8的外控口有压力油输入，使该阀的设定压力升高。因此该阀可以使系统不进行操作时将系统的工作油压控制在一个较低的值上，而在系统进行操作时系统的工作油压将会随着负荷增加而增加，这样做的优点是可以节省能量。当系统中的油压过高，超过安全阀21的设定压力70ba时，安全阀开始，系统泄压。油压过低由压力开关57发出报警信号。液压油柜油位过低由液位开关49发出报警信号。配油环泄放管24及配油环中的漏油回到泄放油柜30，当泄放柜中的液位较高时，触发高液位开关52，此时输送泵27启动，将泄放油柜30中的油输送到液压油柜14，当泄放油柜中的液位降低到低液位开关时，输送泵27停止。输送泵和电动伺服油泵均有两台，互为备用。图图3-2“育鲲”轮CPP液压伺服系统原理图1-1-止回阀；2-伺服遥控箱；3-位置变送器；4-位置变送器；5-活塞杆；6-配油轴；7-比例调节阀；8-伺服油压调节阀；9-伺服活塞；10-滤器；11-伺服油缸；12-滤器；13-止回阀；14-液压油柜；15-液压冷却器；20-压力滤器；21-安全阀；22-双止回阀；23-液压锁；24-配油环泄放管；25-柔性接头；26-液压单元；27-输送泵；28-电动伺服油泵；29-滤器；30-泄放油柜；31-滤器；32-阀EP/ER（用于锁桨）；A-伺服油-后退；B伺服油-前进；C1-冷却水进口；C2-冷却水出口；EP-锁桨动力油进口；ER-锁桨动力油回油；S1-泄放柜透气；S2-输送泵进动力单元油柜；S3-泄放口；S5-油盘泄放；S6-系统油注入/透气；S7-备用接口；S8-透气；S9-测深；TI54-温度计；PI55-压力表；LAL49-液位低位报警；LSL52-液位低位开关；LSH52-液位高位开关；LAH52-液位高位报警；PSL57-压力低开关；PAH53-压力高报警；PAL55-压力低报警；PAL59-压力低报警；TAH54-温度高报警；M、MA、MB、MC、MF、MP、MT-测量点3.3液压系统重要元件3.3.1比例调节阀比例调节阀7是液压伺服系统中的重要部件，它能够接受伺服遥控箱2发出的控制信号并动作从而使控制系统中液压油的流动方向与流量。由于阀芯的位移与控制信号的强弱成正比例关系，所以比例调节阀可以起到比例调节的作用，即来自于调节器的控制信号越强，阀芯的位移也越大，阀口通流面积越大，通过的流量也越大，伺服活塞的位移也就越大，从而带动转叶机构，使螺距变化越大。当没有调距指令时，电磁铁不通电时，控制阀芯由复位弹簧保持在中位。该阀为Y型中位机能,即中位时A、B口与T口接通。3.3.2液压锁调距桨的稳距工况主要是由液压锁来完成的，它可以锁闭伺服油缸两端的液压油，靠油液的不可压缩性来完成螺距的稳定。原理图如下，当A（或B）口有压力油输入时，不仅能将本侧的单向阀芯4顶开，A和A1相通，还可以推动控制活塞2先使另一侧的卸荷阀芯3开始，然后再使阀芯4开启，允许B1中回油流过。当A、B均无油压时，两侧单向阀芯在弹簧作用下皆关闭，可使油路锁闭。图3-3结构原理图3.3.3双止回阀双止回阀22即或门式梭阀，用于选择某一路高压油。它有两个压力油入口和一个出油口。压力油只能由任一口供入，推动阀芯关闭另一侧入口，即只有相对较高压力的入口油与出口油沟通到达高压输出的目的。其出口油压输送到伺服油压的外空口控制其卸荷压力。图3-43.4CPP螺距的应急设定（1）确认或使油泵处于停止状态；（2）拆下配油环轴套上部的接头和软管；（3）拆下配油环轴套上部的固定装置；（4）拆下配油环轴套下部的泄油接头；（5）安装应急接头并检查其槽中的密封圈；（6）安装中间接头及快速接头；（7）利用拆下的软管将快速接口的另一端连接到应急油路的EP和ER端；（8）起动一台油泵，设定需要的螺距；（9）停止油泵；（10）利用快速接头脱开软管，此时，配油环的轴套将随轴一起旋转，因为应急接头起到一个驱动销的作用。由于轴套在应急操作时无法获得润滑，因此必须随着油环的回转。（11）如果螺距由于时间长而发生变化，可以停机重新按以上步骤设定螺距。3.5故障分析3.5.1配油环漏油造成配油环漏油的主要原因是配油环白合金轴承损坏或者螺旋桨轴和密封环之间的O型密封圈损坏，解决措施是更换配油环或者密封圈。3.5.2螺距不稳定现象：在正常航行时，当车钟手柄停留在某一位置时，此时的变距桨应当是某一螺距下的定