船舶动力装置2

第七章船舶推进轴系扭转振动及其控制

Torsionalvibrationanditscontrolforshipshafting

§7-1概述GeneralIntroduction轴系振动有：扭转振动(Torsionalvibration)、回转振动(Rotaryvibration)（横振-Transversevibration）、纵向振动(longitudinalvibration)。其中以扭转振动为主，当周期性的交变力矩作用的频率与自振频率相同时，将产生共振(resonance)。我国“船规”规定220kW（300HP）以上的船舶都要申报扭振计算书(Torsionalvibrationcalculation)。一、扭振的概述1、轴系扭振的成因及危害轴系本身具有扭转振动的基本特性：弹性(elasticity)与惯性(Inertia)轴系承受不均匀的干扰力矩(Disturbancemoment)当扭转振动所产生的应力超过许用值时，会对轴系产生极大的破坏作用。二、船舶规范(shipspecifiction)三、扭转振动的基本概念1、扭摆有阻尼的强迫振动图示的单质量系统，轴只计柔度(flexibility)，不计惯量(momentofinertia)，圆盘只计惯量，忽略弹性。稳态时S+U+R+T=0惯性力矩momentofinertia弹性力矩momentofelasticity阻尼力矩momentofdamp干扰力矩

为自由振动时的解(solution),equationofmotion无阻尼时，即n=0

放大系数(amplificationcoefficient)讨论：

小结：1）系统自振频率(naturalvibrationfrequency)仅与结构有关2）强迫振动(forcedvibration)频率与干扰力矩频率相同，但由于阻尼存在，共振(resonance)时，强迫振动的相位落后于干扰力矩相位/2，并产生动力放大。3）减振方法：增加阻尼，改变自振频率及改变干扰力矩。2、双质量系统(twomasssystem)的扭转振动两质量均作简谐振动(Harmonicvibration)，频率相同，初相位(initialphase)相等，振幅不同，惯量大的振幅小，惯量小的振幅大，且振动方向永远相反。振型图VibrationchartA1A2e12A1A2A3A3e12e23A1A2O单结双结单结取A1=1，A2=-I1/I2，O为结点(node)，振幅为0，应力最大，双质量只有一个结点。三质量系统有两个自振频率，单结或双结，即两个结点。n个质量就有n-1个振型，n-1个自振频率。§7-2推进轴系扭振计算

TorsionalvibrationcalculationforPropulsionshafting一、推进轴系的模化(modelling)模化原则rules：1）以每一曲柄回转平面中心线为单缸运动质量的集中点2）发动机输出端之后，以具有较大转动惯量部件的中心线作为质量的集中点3）对于轴系的转动惯量，当轴段较短时可以忽略或把它平均分配到飞轮和螺旋桨的质量上4）齿轮传动时，把主、从动齿轮的转动惯量按传动比合并成一质量，落点在主动齿轮中心线上5）两相邻集中质量之间的连接轴，按柔度作为该两质量中心的当量轴段长6）轴系中有弹性联轴器或气胎离合器时，应把它们的主、从动部分分为两集中质量7）轴系中有液力偶合器时为界，分成两个独立的扭振系统8）被发动机拖动的机械，转动惯量大的也要作一集中质量二、多质量系统无阻尼简谐振动计算Multi-masssystem应力标尺Stressscale实际应力RealStress为减少累计误差cumulativeerror，通常采用无因次参数(dimensionlessparameters)计算。名称转动惯量momentofinertia柔度flexiciblity振幅amplitude频率frequency弹性力矩momentofelasticity有因次IKeK,K+1AKn2Uk,,k+1=(AK+1-AK)/eK,K+1无因次K=IK/ISEK,K+1=eK,K+1/eSK=AK/AS=ISeSn2K,K+1=eSuK,K+1/AS经过无因次变换以后，计算方程变为：1=11,2=112=1-1,2E1,22,3=1,2+223=2-2,3E2,3••••••K=K-1-K-1,KEK-1,KK,K+1=K-1,K+KK••••••n=n-1-n-1,nEn-1,nn,n+1=n-1,n+nn=0三、轴系扭振的强迫振动计算1、干扰力矩及其共振转速柴油机动力装置，气体压力是不均匀的，其所产生的扭矩也在变化，其它部件产生的力矩不均匀性与之相比可不计。n个质量系统的运动状态方程 Motionequationofstate用矩阵matrix可表示为：设多缸柴油机第K个缸输出的扭矩为Mg（K）为简谐系数(harmoniccoefficient)，对二冲程柴油机=1，2，3，……12,对四冲程柴油机=1/2，1，1.5，……10临界转速(criticalspeed)nc：共振工况下相应的发动机转速。临界转速并不是只有一各。因为干扰力矩的频率为，只要=n就会发生共振，所以临界转速通常要指明几结几次。共振时：=n若此时对应的转速为Nn，n=2Nn/60Nn=9.55n只要n=Nn，n就是临界转速ncn=nmin~nmax

2、干扰力矩所作的功1）单个干扰力矩所作的功2）多个干扰力矩所作的功假定各缸压力相同M1=M2=M3=…..但各缸作用的时间不同，它取决于发火顺序和发火间隔角，如果第k个缸与第一缸的发火间隔角为1，k，干扰力矩相位差为1，k干扰力矩基本矢量图(vectorgraph)特征：1）矢量的个数等于气缸数2）当=qk是为主简谐(keyharmonic)，相应的临界转速为主临界转速，q为曲柄端面图上曲柄数，k=1，2，3……3）>q矢量图重复。对V型机为V型机夹角，为左右列同排编号气缸发火间隔角3、用能量法求解强迫振动振幅（A1）在进行强迫振动时假定(Assumption)：1）共振工况是稳定的。即干扰力矩输入的能量全部被阻尼所消耗2）共振工况下，与系统自振频率不等的各谐次干扰力矩所引起的振幅远小于与系统自振频率相等的那一简谐干扰力矩所引起的振幅，只考虑=m3）共振时，引起共振的干扰力矩频率与系统自振频率相等，共振振型和对应的系统自由振动振型相似，振幅按比例放大。系统阻尼和阻尼功4、用放大系数法求解强迫振动振幅（A1）对单质量系统m=A1/Ast在多质量系统中，放大系数m0表示系统在一组具有相同谐次的干扰力矩作用下产生强迫振动的振幅A1与将干扰力矩的幅值作为静力矩作用在系统上同一质量（第一质量）的平衡振幅Ast的比值。静力矩所作的功=系统的弹性势能

m0=A1/Ast一个循环静力矩所作的功为弹性势能elasticpotentialenergy第一质量的实际振幅可以比较容易的从实船中测得，这样就可以确定放大系数。根据实测资料和经验，各部件的放大系数如212页表6-7四、非共振计算no-resonance假定：1）非共振振型和自由振动振型相同2）只考虑共振时的某一谐次干扰力矩3）非共振情况下阻尼作用与共振时相同§7-3推进轴系振动的计算一、简单回避法划禁区（0.8~1.05）ne不能划禁区二、调频避振法1、改变系统的转动惯量I通常是改变飞轮的重量，飞轮的转动惯量增加，系统自振频率下降并使结点向飞轮靠拢，桨振幅加大，桨阻尼大，消耗功大。要考虑双结频率的改变。2、改变系统柔度1）改变轴系长度，增加长度NI下降2）加装弹性联轴器3）增大轴直径3、选定适当的螺旋桨惯量三、增加系统阻尼在系统中装阻尼减振器某四冲程五缸柴油机（1-5-2-3-4-1）轴系模型图如下，物理参数如表，nmin=40，nmax=105序号1234~789101112转动惯量kgm25.981.081.042.9132.91351.4630.61.1153.944扭转刚度NmX10-58.2392.2150112.78169.660.50.550.29求：1），并画出相应的振型图2）临界转速及及其对应的，并画出矢量图3）工作范围内是否存在主简谐。第六章推进装置工况配合特性

CharacteristicMatchingofPropulsionPlantOperationCondition

§6-1概述

发动机：加入燃料，输出扭矩传动设备：输入扭矩，输出扭矩推进器：输入扭矩，输出推力推进装置在能量支配下的共同配合工作所反映出来的特性称推进装置工作特性，即船浆机配合各种特性。图6-1当船舶等速直线航行时，发动机与螺旋桨之间参数关系：1）发动机转速ne和螺旋桨转速np:ne/i=np2)发动机扭矩Me减去传动设备损耗的扭矩MT，等于克服螺旋桨转动的阻力矩:Me·i-MT=Mp3）发动机功率Pe与螺旋桨吸收功率Pp：Pe·c=Pp螺旋桨与船体之间：1)螺旋桨进速p等于船速s与流体速度之差：p=s-u=s(1-)2）螺旋桨推力Te等于船体阻力R：Te=T(1-t)=R3）螺旋桨吸收功率Pp与克服船体阻力所需功率PRPp·prs=PT·

s=Pp·

t=PR§6-2船、桨、机的主要工作特性

OperationCharacteristicofShip,PropellerandMainEngine一、

柴油机的工作特性OperationCharacteristicofDieselEngine

Theexternalcharacteristicsofdieselengine图6-2图6-3图6-4MCR：柴油机长期持续运转的最大功率OperationRangeofDieselEngine图6-5二、螺旋桨的推进特性PropulsionCharacteristicsofPropeller1、螺旋桨的基本特性Basic

CharacteristicsofPropeller图6-6讨论

attention:1）p，situation:如柴油机突然加速，由于惯性，船舶航速来不及上升，或船舶突遇风浪，阻力增加R

，p

KT,KM

T,MpMe2)p,如空载(idler)，轻载或顺水(downstream)R

p

KT,KMT,Mp

Me3）p=0,p=0系泊工况(Mooringcondition)，KT,KM最大，T,Mp最大，为防止柴油机超负荷，要求ne75%nH，这时p=0。p的变化反映了螺旋桨负荷的变化，也就是船舶推进装置外界负荷的变化。2、螺旋桨推进特性CharacteristicofPropeller1）稳定工况时2）工况发生变化达到新的稳定状态时，p稳定在新的值C1,C2,C同时变化为新值。图6-73)桨参数D，H三、船体阻力特性CharacteristicofResistance形式：摩擦阻力、兴波阻力、旋涡阻力Thefrictiondrag,wavedrag,vortexdrag船速低时，以摩擦阻力为主，船速高时，兴波阻力为主图6-8图6-9§6-3推进装置在稳态设计工况的匹配

Matchatthestabledesigncondition一、配合统一坐标Unifiedcoordinate稳态时，有效推力这样，只要调整比例尺，就可以将p,np,ne重叠在一个坐标图中的横坐标，Pe,Pp,PR重叠在一个纵坐标，而船体的阻力（或阻功率）与螺旋桨的推力（或推功率）可以相互转换，船桨机的配合就转化为机桨配合问题。图6-10图6-11二、配合的基本原则BasicRulesofMatching1、配合前的处理原则：1）带传动齿轮箱withgearbox将扭矩乘以传动比Transmissionratio，转速除以传动比，再与桨配合2）轴带负荷Axialload：先将负荷叠加成单一负荷3）多机并车multi-paralleled：动力叠加成单一动力特性2、设计匹配点选择基本原则：主机发出额定功率，桨的效率最高。图6-12图6-13三、配合选择时要注意的问题Notesformatching1、主机功率使用范围图6-142、主机功率储备powerreservationofmarineengine1）海况储备(seacondition)：功率储备10—15%，转速储备3.5—5%图6-152）主机能力储备(mainenginecontidion)考虑到主机使用一定时间后，性能有所下降，选配时，增大主机能力。图6-16图6-17图6-18图6-153、主机减功率输出（DMCR）

目的：降低油耗率，提高经济性图6-19四、无因次参数配合matchingwithdimensionlessparameters

§6-4船舶典型推进装置

稳态配合及工作特性

Matchingandoperationcharacteristicatstablestatefortopicalpropulsionplants一、单机单桨1、设计点附近的匹配特性图6-202、部分负荷工况：船体外界和装载负荷不变，由于航行要求降低航速时的工况。图6-21剩余功率(excesspower)：部分负荷时。主机所能发出的功率与螺旋桨所需功率之差。0.5770.3849图6-22剩余功率3、轴带负荷工况Axialload若轴带负荷不超过3%的主机功率，不会对主机容量的选配产生影响图6-23二、多机并车推进装置multiparalleled图6-24图6-25不同装置耗油率随功率的变化

优点：1）经济性好：剩余功率小，耗油率低2）主机维修方便3）机动性好4）操作性好三、多机多桨推进装置Multiengineswithmultipropellers一桨工作时，两只桨为拖航，双桨工作时，一只桨为拖航，使实际桨特性变为图中虚线位置。优点：1）剩余功率小，经济性好2）机动性好图6-26四、调距桨推进装置CPPH/D:Ratioofpitchtodiameter图6-27图6-28图6-291）在任何航行工况下主机均能发出额定功率图6-302）在部分负荷下可获得转速ne及H/D的最佳匹配经济性最好的ne和H/D匹配为gemin对应的转速ne和pmax对应的H/D的匹配图6-313)主机转速不变，则改变H/D可获得不同的航速，可以使船舶微速航行或倒航图6-32图6-33第八章柴油机动力装置经济性

EconomyofDieselPropulsionPlant

§8-1概述一、定义动力装置经济性指船舶动力装置在正常运转状态下，年运量与营运开支之比。营运开支：动力装置折旧费(Depreciation)，燃油、滑油费用，工资、维修费等二、柴油机动力装置的热平衡及效率1、热线图(Thermaldiagram)：反映动力装置主要机械设备能量产生及分配图图8-1最简单的热线图2、热平衡heatbalance输入动力装置能量=机械功当量+电功当量电+蒸汽热当量+排气热量+冷却热量+其它3、热效率heatefficiency4、提高动力装置有效热效率的方法Methodtoincreasetheefficiencyofthepowerplant1）提高主机热效率increasetheefficiencyofmainengine2）提高推进效率increasethepropulsionefficiency3）选用高效率的辅助机械几采用废热回收提高附加效率increasetheadditionalefficiency4）改变船舶的操纵differentoperationmodes。实行经济航行。经济航速并非船舶最大盈利航速。图8-2§8-2提高装置推进效率

Thewaytoincreasethepropulsionefficiency推进系数Ct=cprs其中影响最大的是p提高推进效率的措施1）采用大直径螺旋桨2）采用导管螺旋桨Ductedpropeller3）采用先进的船形设计，提高船身效率hullefficiency4）合理的船、机、桨匹配一、采用低速大直径螺旋桨理想螺旋桨效率推力载荷系数ThrustloadcoefficientD，A，T，vs不变时，Tp1二、合理的船机桨匹配许多柴油机有减功率输出，可以降低油耗率，提高积极性。步骤：1）由船舶初步设计确定的Dp，np及H/D的主机常用功率CSRMCR（CSR/0.9）2）绘制等船速功率曲线图功率减额系数与船型有关图8-33）绘制待选主机的减额功率输出区4）确定DMCR原则：a）np,p,经济性好，但受Dmax限制b)np,ne,ge，主机经济性提高c）最终以每日耗油