動力裝置特性曲線

1、動力裝置特性曲線第1頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一船、機(jī)、槳的能量關(guān)系船舶航行時需要螺旋槳提供推力以克服船舶阻力，使船舶以穩(wěn)定的航速航行，也就需要主機(jī)提供旋轉(zhuǎn)力矩以克服螺旋槳的旋轉(zhuǎn)阻力矩，使得螺旋槳在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣，就構(gòu)成船、機(jī)、槳的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。第2頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一特性和特性曲線（一）特性廣義地說，它反映船、主機(jī)（推進(jìn)機(jī)組）和螺旋槳的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（功率、扭矩、主機(jī)的燃油消耗率和排氣溫度等）隨其轉(zhuǎn)速或航速的變化關(guān)系。船的特性可用隨航速變化的阻力特性來表示。螺旋槳的特性受到螺旋槳的結(jié)構(gòu)和水動力因素的影響，常用推力和扭矩來

2、表示。主機(jī)的特性主要用其柴油機(jī)的供油量、平均有效壓力、軸的輸出扭矩及功率等隨轉(zhuǎn)速（航速）的變化關(guān)系表示，并受到推進(jìn)裝置的組成和型式的影響。包括：（1）主機(jī)是否采用增壓，是采用高速機(jī)還是低速機(jī)等；（2）傳動方式與設(shè)備的影響：是直接傳動還是間接傳動（電傳動，液力傳動，減速傳動；并、分車；離合器型式等）；（3）軸系的數(shù)目：單軸系、多軸系等。（二）特性曲線把船、機(jī)、槳三者隨轉(zhuǎn)速或航速變化的一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分別或集中地在圖上用曲線表示出來，此曲線就是特性曲線。第3頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一配合 在某一工作條件下，船、機(jī)、槳三者的轉(zhuǎn)速與能量均相等的點(diǎn)稱為“配合點(diǎn)”，也稱為“平

3、衡點(diǎn)”。在船舶設(shè)計轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下的配合點(diǎn)，稱為設(shè)計配合點(diǎn)，船舶在此點(diǎn)運(yùn)行，就可得到設(shè)計航速，其螺旋槳效率較高，但是此航速下不一定是經(jīng)濟(jì)航速。當(dāng)三者中某一方的能量和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，都會使平衡點(diǎn)發(fā)生變化，在新的條件下的形成新的平衡點(diǎn)，并偏離設(shè)計平衡點(diǎn)，這時，轉(zhuǎn)速、功率和效率等參數(shù)都將發(fā)生相應(yīng)變化。第4頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一工況和變工況工況指船、機(jī)、槳三者配合工作時的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。這種運(yùn)轉(zhuǎn)狀況有以下幾種：以轉(zhuǎn)速（或航速）為變量的工況、以負(fù)荷為變量的工況、以轉(zhuǎn)速（或航速）和負(fù)荷同時均為變量的工況。變工況是指船、機(jī)、槳在非設(shè)計工況下工作的一切運(yùn)行工況的統(tǒng)稱。變工況經(jīng)常發(fā)生

4、，例如：（1）船舶航行條件的變化，即當(dāng)船舶遇到風(fēng)浪、潮水、上灘或載量變化，其工況就會發(fā)生變化。（2）機(jī)動操縱引起的變化，即船舶在起航、加速、減速、轉(zhuǎn)彎、倒退等工況的變化。（3）船、機(jī)、槳本身的性能變化，即主機(jī)與軸系長期使用后效率的下降、船舶的污底、螺旋槳直徑或螺距發(fā)生了變化等。第5頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一柴油機(jī)的主要參數(shù)指示功率的表達(dá)式： Ni =pi vs n i / (0.03 ) KW有效功率的表達(dá)式 Ne= Ni m =pi vs n i m / (0.03 ) KW (pe= pi m ) Ne = pe vs n i / (0.03 ) KW參數(shù)關(guān)系

5、 對一給定的柴油機(jī)來講， vs、i、 為已知常數(shù)。因此，Ne是隨 pe 、 n而變的函數(shù)： Ne = f（pe 、n ） 輸出矩扭Me與Ne之間的關(guān)系為： Ne = Me n/9 . 55 或 Ne = f（Me 、n ）或 Me = 9 . 55 Ne /n 第6頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 3) 輸出矩扭Me與平均有效壓力pe (柴油機(jī)的強(qiáng)化程度)之間的關(guān)系為：Me = 9 . 55 Ne /n = 9 . 55 Vs pe / (0.03 ) =K pe式中： Vs柴油機(jī)的氣缸工作容積總和。 Vs=vs i K對一給定的柴油機(jī)來講， K= 9 . 55 Vs

6、/ (0.03 ) =常數(shù)。 因此， Me 與 pe 成正比，即與噴油量成正比。記為： Me = f ( pe ) 4) 總結(jié)： Ne = f（pe 、n ） Me = f ( pe ) 第7頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 3、柴油機(jī)運(yùn)行規(guī)律與參數(shù)之間的關(guān)系： 1）n變， pe 不變。（即每一個工作循環(huán)的噴油量不變） 2）n變， pe 也變。 3）n不變， pe 變。 4、柴油機(jī)特性概念： 柴油機(jī)工作參數(shù)（ Ni， Ne，i，e，gi， ge，Me等）和變量pe 、n之間的函數(shù)關(guān)系為稱柴油機(jī)的特性。 5、柴油機(jī)特性分類： 柴油機(jī)工作參數(shù)（ Ni， Ne，i，e，gi，

7、 ge，Me等）隨轉(zhuǎn)速 n和隨平均有效壓力Pe而變化的規(guī)律分別叫做柴油機(jī)的速度特性和負(fù)荷特性。 柴油機(jī)特性分類如下： 第8頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一柴油機(jī)特性 二 、 速度特性 (n變) 1、外特性 n 變， pe一定時，由Ne = f（pe 、n ）知 : Ne n ; Me = f ( pe ) = 常數(shù)。 Ne = Me n/9 . 55 = f ( n ) 即 Ne 與 n成直線關(guān)系,如下圖所示.第9頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 實(shí)際上每循環(huán)進(jìn)氣量、熱態(tài)狀、指示效率、每循環(huán)噴油量、定時等都與轉(zhuǎn)速有關(guān)， 因此，pe 是變化的。n

8、變， pe一定時，由Ne = f（pe 、n ）知 : Ne n ; Me = f ( pe ) = 常數(shù)。 Ne = Me n/9 . 55 = f ( n ) 即 Ne 與 n成直線關(guān)系,如下圖所示.第10頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 1）外特性的定義 在速度特性線中，把柴油機(jī)在噴油量（即 pe）不變時，在各種轉(zhuǎn)速 n下的最大做功能力稱為柴油機(jī)的外特性。 2）外特性的種類 根據(jù)柴油機(jī)工作時的強(qiáng)化程度不同，其又可分為： （1）極限功率外部特性曲線（簡稱極限外特性線）（平均有效壓力pe1 ） 含義：柴油機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷達(dá)到極限程度。 （2）冒煙外特性線（又稱為15

9、分鐘功率特性曲線） 含義：柴油機(jī)熱負(fù)荷非常高，表示開始冒煙與不冒煙的分界線。（平均有效壓力pe2 ） pe2=(0.850.92) pe1 外特性第11頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 （3）超額外特性線（又稱為1小時功率特性曲線） 含義：柴油機(jī)熱負(fù)荷很高，一般作為船用主機(jī)的最大功率或超額功率，持續(xù)使用時間不應(yīng)超過1小時。 （4）額定外特性線（又稱為12小時功率特性曲線） 含義：柴油機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷適中，能較長時間持續(xù)工作（不小于12小時）。由工廠臺架試驗(yàn)定確。做船用主機(jī)時，持續(xù)工作時間不應(yīng)超過12小時。 船舶規(guī)范規(guī)定：船用主機(jī)的超額功率為額定功率的110%，最大轉(zhuǎn)速

10、nmax為額定轉(zhuǎn)速nH的103%，此時柴油機(jī)持續(xù)運(yùn)行1小時不應(yīng)冒黑煙。 （5）持續(xù)功率外特性線（又稱為持久功率外特性線） 含義：柴油機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷好，一般作為船用主機(jī)的常用功率，可長期持續(xù)使用。 持續(xù)功率為額定功率的90%，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速nH的100%。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 （6）部分功率外特性線 含義：柴油機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷較底，噴油量更小。 （7）等轉(zhuǎn)矩限制外特性線 設(shè) Me = MeH = 常數(shù) 則 Ne = MeH n / 9.55 = A n 式中： MeH柴油機(jī)額定功率和額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)矩, A 常數(shù). 含義：柴油機(jī)在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在此

11、線下，柴油機(jī)和軸系都可安全工作。 （8）最底負(fù)荷限制外特性線 （9）最高轉(zhuǎn)速限制線 （10）最底轉(zhuǎn)速限制線 船用柴油機(jī)的工作范圍：第13頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 2、推進(jìn)特性 (n變，Pe也變） 柴油機(jī)作為船用主機(jī)帶動螺旋槳時，兩者關(guān)系是： 1）兩者保持能量守恒； 2）運(yùn)動一致。 由船舶原理知低速排水量型船舶，其螺旋槳吸收的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即： Ne= 我們把柴油機(jī)的工作按照 Ne= 的規(guī)律的變化關(guān)系稱為柴油機(jī)的推進(jìn)特性 三、 負(fù)荷特性 (n不變，Pe變） 柴油機(jī)帶直流發(fā)電機(jī)時要求電壓不變，帶交流發(fā)電機(jī)時要求周波數(shù)不變，因此柴油機(jī)應(yīng)恒速運(yùn)行。當(dāng)外界負(fù)荷

12、變化時通過改變Pe來進(jìn)行調(diào)節(jié)。第14頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一船用柴油機(jī)推進(jìn)特性曲線第15頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 四、柴油機(jī)的萬有特性第16頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 圖1-18 船用柴油機(jī)特性曲線綜合圖(1)第17頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 圖1-18 船用柴油機(jī)特性曲線綜合圖(2)第18頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 第5章 船、機(jī)、槳工況配合特性 一 、 研究船、機(jī)、槳工況配合的目的 二 、 船、機(jī)、槳三者的關(guān)系 三 、 研究船、機(jī)、槳配合

13、的原則和方法 四 、 研究的范圍 1、工況配合的分類和研究范圍 1）穩(wěn)定（靜態(tài)）工況時的配合特性 （1）設(shè)計工況時的配合特性 （2）非設(shè)計工況時的配合特性 2）過渡（動態(tài)）工況時的配合特性 （1）起航、加速工況時的配合特性 （2）轉(zhuǎn)向工況時的配合特性 （3）倒車工況時的配合特性 2、穩(wěn)定（靜態(tài)）工況的含義 5-1 船、機(jī)、槳工況配合概述第19頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一船、機(jī)、槳穩(wěn)定（靜態(tài)）工況配合曲線第20頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 一 、海上功率儲備 1、主機(jī)能力儲備（EM) 2、海況儲備(SM) 二、主機(jī)選型 1、合同功率和轉(zhuǎn)速的

14、概念(CMCR,nCMCR) 2、主機(jī)選型問題 在合同功率和轉(zhuǎn)速與標(biāo)稱功率和轉(zhuǎn)速不相同時如何選機(jī)，例題說明： 5-4 海上功率儲備和主機(jī)選型第21頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 設(shè)有一頂推輪，拖曳速度為13km/h,經(jīng)螺旋槳初步設(shè)計并考慮10%的海況儲備后得； CMCR=1500kw , nCMCR=500r/min ， i0=1.83(齒輪箱的速比已選定) ， 螺旋槳要素（D,H/D,AE/A0,Z）=(1.7m,1.2,0.57,4),可供選擇的主機(jī)參數(shù)如下表，問A,B和C哪臺機(jī)符合要求？第22頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 機(jī)型參數(shù) A

15、 B CMCR(kw) 1500 1600 2100nmin(r/min) 600 700 700第23頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 設(shè)MA, MB, MC分別是三臺機(jī)扣除10%儲備后螺旋槳設(shè)計扭矩（即可供給螺旋槳的扭矩），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 要求的螺旋槳設(shè)

16、計扭矩為： M0=(0.9N0/n0)i0=(0.91500/500)(60/2) 1.83 = 47.21 kN.m 因此只有C機(jī)滿足要求。（但主機(jī)功率富余量較大，在設(shè)計工況主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速均未達(dá)到額定值，初投資增加了。） 如果要選用A機(jī)或B機(jī)，則必須修改減速比（螺旋槳設(shè)計參數(shù)不變）。第24頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 因?yàn)槁菪龢O(shè)計為： np0=nCMCR/i0=500/1.83=273.22 r/min 如果選用A機(jī)，則： iA= nAMCR/ np0=600/ 273.22 =2.196 （此時，MA=47.208 kN.m，最合適。） 如果選用B機(jī)，則：

17、iB= nBMCR/ np0=700/ 273.22 =2.562 （此時，MB=50.358 kN.m，偏大。） 3、齒輪箱減速比選擇問題以上例的A機(jī)為對象，在不重新設(shè)計螺旋槳的情況下： 1）如果選擇的齒輪箱減速比i1 iA（2.196）,對A機(jī)來說，螺旋槳顯得“重” 了。 2）如果選擇的齒輪箱減速比i2iA （2.196）,對A機(jī)來說，螺旋槳又顯得“輕” 了。 分析如下：第25頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 分析如下： 及Mp=iMe 在不修改螺旋槳要素時，其KQ，D都為常數(shù)，也為常數(shù)。于是對同一主機(jī)的轉(zhuǎn)速neA時，所需的主機(jī)輸出扭矩Me與速比呈反比關(guān)系，如下圖所

18、示：第26頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一第27頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一5-6 案例分析 1、某設(shè)計單位（稱簡甲方）為一用戶設(shè)計一條1000t級貨船，選用的主柴油機(jī)額定功率為185kw,額定轉(zhuǎn)速為850r/min，選用的船用齒輪箱減速比i=7.06，傳遞能力為0.185kw/r/min,并進(jìn)行了良好的機(jī)槳配合。某船廠（稱簡乙方）施工時，因設(shè)備技術(shù)參數(shù)、價格等原因，改用減速比i=5.05，傳遞能力為0.22kw/r/min的船用齒輪箱,其余設(shè)備技術(shù)參數(shù)未變更。實(shí)船試航結(jié)果分析表明：主機(jī)功率及轉(zhuǎn)速均未達(dá)到設(shè)計工況要求，航速也受到影響。試用圖、文分析全程責(zé)任點(diǎn)和責(zé)任方，理由是什么？第28頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一第29頁，共34頁，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期一 2、一用戶需要建造一條以柴油機(jī)為主機(jī)的頂推拖輪（采用定螺矩螺旋槳），要求頂推量為3500t，航線為重慶上海；上水時有一淺灘，推拖輪以頂推1500t貨駁過淺灘，但上灘船速不能小于18km/h（連續(xù)航行時間大約2h）。設(shè)計單位選取了上灘頂推一只貨駁作為設(shè)計工況，并按航速18km/h來選取主機(jī)功率，好較地完成了設(shè)計任務(wù)。試問：你能否根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，提出一個新的設(shè)計方案，并用圖、文分析比較兩個方案的特點(diǎn)和區(qū)別。第