船舶动力装置技术管理第三

船舶动力装置技术管理第三第一页，共八十一页，2022年，8月28日推进装置的工况配合特性第一节船、机、桨的相互作用和螺旋桨的选配第二节各种航行条件下推进装置工况配合特性第二页，共八十一页，2022年，8月28日推进装置的工况配合特性第一节船、机、桨的相互作用和螺旋桨的选配第二节各种航行条件下推进装置工况配合特性第三页，共八十一页，2022年，8月28日Theinteractionsamongtheship’shull,mainengine,propellerandtheselectionofthepropeller第四页，共八十一页，2022年，8月28日船机桨的相互作用和螺旋桨的选配船、机、桨的特性船、机、桨的相互作用航速与转速的转换关系螺旋桨的选配第五页，共八十一页，2022年，8月28日船机桨的相互作用和螺旋桨的选配船、机、桨的特性船、机、桨的相互作用航速与转速的转换关系螺旋桨的选配第六页，共八十一页，2022年，8月28日船舶阻力特性基本阻力R（静水、满载、直航、稳定航行）a.摩擦阻力R1(粘滞阻力）R1

∝V1.83(商船占80%R，高速船占40%R)

b.形状阻力R2（压力阻力，涡流阻力）R2∝V2(商船占10%R)

c.兴波阻力R3R3∝V4~6（商船占10%R,高速船占50%R以上）

通常，对于商船：R∝V2第七页，共八十一页，2022年，8月28日螺旋桨的推进特性

螺旋桨的推力：

螺旋桨的阻力矩：螺旋桨的效率：进程比：

第八页，共八十一页，2022年，8月28日螺旋桨的推进特性

稳定航行时，

n一定，v一定，J一定，ρ一定，K1、K2一定则T=CT·n2--kn（CT为常数）

M=CM·n2--kn·m（CM为常数）

PP=M·2π·n/60=CP·n3--kW(CP为常数）

推进特性曲线见图1第九页，共八十一页，2022年，8月28日图1螺旋桨特性曲线实线——PP=f(n)的特性曲线虚线——Te(Q)=f(n)的特性曲线第十页，共八十一页，2022年，8月28日柴油机速度特性推进特性工作范围第十一页，共八十一页，2022年，8月28日速度特性（也称外特性）

Pe=C·pe·

n·i

式中:C—与柴油机结构形式有关的系数pe—平均有效压力

n—转速i—气缸数

当喷油量一定时，pe一定，i、C一定，则Pe与n为直线关系，且过原点和（Pb,nb）

即，轴上扭矩为常数

工作指标和性能参数随转速而变化的规律第十二页，共八十一页，2022年，8月28日速度特性（也称外特性）

全负荷速度特性（也称额定外特性）油泵油量调节机构固定在标定功率的供油量下，工作指标和性能参数随转速而变化的规律。

超负荷速度特性使n=nb，发出110%Pb的功率，固定油量调节机构，测取的工作指标和性能参数随转速而变化的规律。规范要求：每12小时允许运行1小时，且不冒黑烟

部分负荷速度特性（也称部分外特性）第十三页，共八十一页，2022年，8月28日柴油机推进特性柴油机按螺旋桨特性工作的特性规律。即，Pe=C·n3第十四页，共八十一页，2022年，8月28日柴油机的工作范围增压柴油机正常工作范为例见图2

持续工作范围：最大发动机转速最大发动机扭矩增压器喘振线最低稳定转速最小发动机扭矩

短期运行工作范围：超负荷工作范围超转速工作范围加速时短期使用工作范围机动操纵低速运转使用工作范围第十五页，共八十一页，2022年，8月28日图2增压柴油机正常典型工作范围图第十六页，共八十一页，2022年，8月28日柴油机安全经济可靠的工作范围第十七页，共八十一页，2022年，8月28日机桨的相互作用和螺旋桨的选配船、机、桨的特性船、机、桨的相互作用航速与转速的转换关系螺旋桨的选配第十八页，共八十一页，2022年，8月28日船机桨系统的特点

a.存在机械连接b.存在液力相互作用c.能量转换关系：

d.相互制约主机螺旋桨船体第十九页，共八十一页，2022年，8月28日平衡方程式

船体的力平衡方程式螺旋桨力矩平衡方程式

第二十页，共八十一页，2022年，8月28日平衡方程式

m—船舶质量vs—船舶的航行速度∑Te—螺旋桨的总有效推力R—船舶运动阻力np—螺旋桨的转速∑J—主机、减速器和轴系的回转质量折合到尾轴中心线的转动惯量以及螺旋桨的转动惯量Me—主机的扭矩Mp—作用于螺旋桨的水动力矩Mm—轴系、减速器和联轴器的摩擦力矩第二十一页，共八十一页，2022年，8月28日平衡方程式稳定工况下第二十二页，共八十一页，2022年，8月28日船机桨的相互作用和螺旋桨的选配船、机、桨的特性船、机、桨的相互作用航速与转速的转换关系螺旋桨的选配第二十三页，共八十一页，2022年，8月28日稳定工况下航行时，R=Te

J变化不大

由J=vp/(Dn)可得出结论：

vp∝n航速与转速的转换关系第二十四页，共八十一页，2022年，8月28日船机桨的相互作用和螺旋桨的选配船、机、桨的特性船、机、桨的相互作用航速与转速的转换关系螺旋桨的选配第二十五页，共八十一页，2022年，8月28日满足船舶所要求的航速和较高的螺旋桨效率使柴油机的功率得到充分利用使柴油机在全部运转范围内不超过允许的功率范围配桨原则第二十六页，共八十一页，2022年，8月28日标定功率与配桨功率的差

发动机功率储备

船体状态储备

航行条件储备功率储备第二十七页，共八十一页，2022年，8月28日约定最大持续运转功率（约定MCR、CMCR）

船东和船厂商定的在船上实际应用的最大持续运转功率第二十八页，共八十一页，2022年，8月28日实例

SulzerRTA型柴油机的配桨图见图3

Pielstick中速机与螺旋桨的选配见图4第二十九页，共八十一页，2022年，8月28日图3RTA柴油机的配桨特性第三十页，共八十一页，2022年，8月28日图4PC2-5中速机的配桨特性第三十一页，共八十一页，2022年，8月28日典型推进装置的机桨配合特性双机单桨配合特性见图5四机单桨配合特性见图6双机双桨配合特性见图7主机+轴带发电机联合工作机桨配合特性见图8第三十二页，共八十一页，2022年，8月28日图5双机并车的机桨配合特性PP-推进特性曲线1-1台主机的外特性曲线2-2台主机的外特性曲线第三十三页，共八十一页，2022年，8月28日图6多机单桨配合特性I-螺旋桨推进特性曲线1、2、3、4-与主机所运行的台数相应的组合外特性曲线第三十四页，共八十一页，2022年，8月28日图7双机双桨推进装置机桨配合特性第三十五页，共八十一页，2022年，8月28日

图8增压柴油机驱动螺旋桨和轴带发电机（不变负荷）1-螺旋桨负荷2-螺旋桨+轴带发电机3-柴油机工作范围限制线第三十六页，共八十一页，2022年，8月28日推进装置的工况配合特性第一节船、机、桨的相互作用和螺旋桨的选配第二节各种航行条件下推进装置工况配合特性第三十七页，共八十一页，2022年，8月28日Thematchingcharacteristicofthepropulsioninstallationatthedifferentunderwayconditions第三十八页，共八十一页，2022年，8月28日船舶阻力改变时的工况配合特性增加：如船舶污底（船舶水下部分表面附着了海生物以及发生锈蚀）、超载、逆风等。

注意事项：防止超负荷，任何情况油门不得超过标定油门

减小：如，轻载、顺风、顺流等。

注意事项：防止超速，任何情况下不得超过标定转速配合特性见图9第三十九页，共八十一页，2022年，8月28日

图9船舶阻力改变时工况配合特性

I-阻力正常情况下螺旋桨特性曲线II-阻力增加情况下螺旋桨特性曲线III-阻力减小情况下螺旋桨特性曲线1-主机全负荷速度特性曲线2-主机部分负荷速度特性曲线第四十页，共八十一页，2022年，8月28日第四十一页，共八十一页，2022年，8月28日第四十二页，共八十一页，2022年，8月28日汹涛的影响大风浪中航行时，螺旋桨的扭矩和推力周期性变化见图10

注意事项：适当减小油门，防止飞车和超扭矩、超负荷

偏舵航行对航速和推力的影响见图11第四十三页，共八十一页，2022年，8月28日

图10船体产生摇摆和起伏而引起汹涛阻力△Mb-扭矩增额△Te-推力增额第四十四页，共八十一页，2022年，8月28日

图11舵角对航速和推力的影响

第四十五页，共八十一页，2022年，8月28日船舶由深水进入浅水和在窄航道中航行施工况配合特性1、由深水进入浅水

浅水：h/d<4(h:水深d:吃水)船体周围水流动由三元变为二元相对速度↑：摩擦阻力↑、涡流阻力↑、兴波阻力↑

阻力与船速的关系见图12第四十六页，共八十一页，2022年，8月28日

图12在浅水和深水航行时船速对阻力的影响

1-深水阻力曲线2-浅水阻力曲线第四十七页，共八十一页，2022年，8月28日

由图可知：a.时，浅水阻力=深水阻力

b.时,浅水阻力>深水阻力

c.时,浅水阻力<深水阻力

所以，当船舶进入浅水时，应适当减速，防止阻力增加。

例如，当

时,R=R2—浅水

若v=v1时,R=R1，与深水阻力相同第四十八页，共八十一页，2022年，8月28日船舶由深水进入浅水和在窄航道中航行施工况配合特性

2.窄水道

窄水道：b/B<20(b:航道宽B:船宽)

且b/B>20时，无窄水道影响第四十九页，共八十一页，2022年，8月28日船舶在各种运动状态下的工况配合特性系泊工况起航和加速工况转向工况拖曳工况紧急倒航工况第五十页，共八十一页，2022年，8月28日船舶在各种运动状态下的工况配合特性系泊工况起航加速工况转向工况拖曳工况紧急倒航工况第五十一页，共八十一页，2022年，8月28日系泊工况

V=0,J=0,桨特性线最陡，见图13

常规要求：n正=(0.8~0.85)nb

运行2h，排烟温度正常

n倒=(0.7~0.80)nb运行0.5h，排烟温度正常

第五十二页，共八十一页，2022年，8月28日

图13系泊实验时的螺旋桨特性第五十三页，共八十一页，2022年，8月28日船舶在各种运动状态下的工况配合特性系泊工况起航加速工况转向工况拖曳工况紧急倒航工况第五十四页，共八十一页，2022年，8月28日主机操作方式a.设极限调速器：n由人工控制油门，极限调速器控制飞车转速

b.设全制式调速器：作极限调速器使用，与a所述相同作全制式调速器使用，n由调速器控制油门+油门限制

c.设加速程序（遥控）：n由程序控制第五十五页，共八十一页，2022年，8月28日2变工况特点T不等于R，V,n,R,T,J,K1,K2螺旋桨特性时刻在变船舶惯性相对大，机、桨、增压器等惯性相对小油门改变后，n变化快，v变化慢13第五十六页，共八十一页，2022年，8月28日人工控制油门－启航工况

驾驶台要求n=n1,

第一阶段：n迅速增加阶段，v不变，J=0

启动：油门在4，工作在a点，n=n1

第二阶段：n缓慢增加阶段，v逐渐增加，J逐渐增加，K1,K2逐渐减小

若油门不变，工作点的变化a-a1-a2-a3n=n1’>n1

正确操作：

油门的变化：4-4’-4’’-4’’’

工作点的变化：a-a1-a’-a2’-a’’-a3’’-a3’’’

驾驶台要求n=n3

不正确操作：0-b

正确操作：0-a-a1-b1-b2’-b2-b3见图14第五十七页，共八十一页，2022年，8月28日图14起航工况配合特性第五十八页，共八十一页，2022年，8月28日人工控制油门－加速工况（定速）

参见图15由na→nb

不正确的操作：a1-B-a

正确操作：a1-1-2-3-4-5-6-7-8-9-a第五十九页，共八十一页，2022年，8月28日图15加速工况第六十页，共八十一页，2022年，8月28日起航加速工况配合特性第六十一页，共八十一页，2022年，8月28日人工控制油门－减速工况由nb→nc

第一阶段：n迅速降低阶段减油至nc，v不变，J增加，

K1、K2下降，特性线变平坦第二阶段：n缓慢降低阶段

J缓慢减小，K1、K2缓慢增加，特性线逐渐变陡不正确操作：油门不变，转速逐渐下降，直至停车正确操作：逐渐增加油门，维持n=nc，由B→C过渡时间短。若按b-1-2-3-4-5-C，则过渡时间较长。见图16第六十二页，共八十一页，2022年，8月28日图16减速工况第六十三页，共八十一页，2022年，8月28日调速器控制油门（遥控）

a.启航

油门自动变化过程：4-4’-4’’-4’’’

工作点变化过程：a-a’-a’’-a3’’’b.加速

按程序控制加速c.减速

第一阶段，减油至nc，

第二阶段，自动加油，稳定在nc左右第六十四页，共八十一页，2022年，8月28日船舶在各种运动状态下的工况配合特性系泊工况起航加速工况转向工况拖曳工况紧急倒航工况第六十五页，共八十一页，2022年，8月28日转向工况

单桨：由于偏舵和斜水流的作用，R增加，船速下降，J下降，特性线变陡，若设全制式调速器，则自动加油，应注意防止超负荷

一般由油门限制杆限制

若油门不变，则转速下降，此时不能盲目加油门，防止超负荷

双机双桨：两桨均在斜水流中，hp内<hp外，J内<J外，内桨特性比外桨陡若油门不变时，则n内<n外

测试结果见图17

外桨负荷的变化：开始下降，接着增加内桨负荷的变化：始终增加第六十六页，共八十一页，2022年，8月28日图17双机双桨船转向时内外机的负载变化第六十七页，共八十一页，2022年，8月28日船舶在各种运动状态下的工况配合特性系泊工况起航加速工况转向工况拖曳工况紧急倒航工况第六十八页，共八十一页，2022年，8月28日拖曳工况配合特性见图18

自航（无拖曳）

按I，A线工作

拖曳：T=R+Z(Z：拖曳力)

按II，B线工作v越低，桨的特性线越陡，拖曳力越大，主机功率越发不足第六十九页，共八十一页，2022年，8月28日图18拖曳作业时配合特性第七十页，共八十一页，2022年，8月28日拖曳工况

调距桨可克服功率发不足的缺陷定距桨的设计：按自航选桨时，自航功率可发足，但拖曳时桨重，易超负荷；相当于R增加。按拖曳作业选桨时，拖曳时功率可以发足，但自航时，桨轻，易超速，相当于R减小。

常规设计，介于上述两者之间，两种工况均发不足，但偏差小。最佳方案：调距桨，功率在任何工况下都可发足。第七十一页，共八十一页，2022年，8月28日船舶在各种运动状态下的工况配合特性系泊工况起航加速工况转向工况拖曳工况紧急倒航工况第七十二页，共八十一页，2022年，8月28日由正车到倒车的运行特点在100%vb下

第一阶段（在第一象限）油门：标定油门→0P:Pb→0M:Mb→0n:nb→（60%~70%）nbT:Tb→0→负值第七十三页，共八十一页，2022年，8月28日由正车到倒车的运行特点第二阶段（在第二象限）

n:(60%~70%)nb

到0

M:0→负极值（10%nb左右）→一定的负值(n=0)

T:-T逐渐增加+R阻止船舶前进第七十四页，共八十一页，2022年，8月28日由正车到倒车的运行特点第三阶段（在第三象限）

反向起动，克服负扭矩的极小值，负扭矩逐渐增加

负推力+R阻止船舶前进75%v,5