第四章 推進系統(tǒng)的動力配合性能

1、工程學(xué)院 海工系 第四章 推進系統(tǒng)的動力配合性能 引言 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)速下運轉(zhuǎn)，這樣，就構(gòu)成船、機、槳的 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 內(nèi)容概要 推進系統(tǒng)各部件特性 動力配合特性分析 推進系統(tǒng)動態(tài)配合特性分析 噴水推進系統(tǒng)特性分析 推進系統(tǒng)的動力配合特性 船舶推進系統(tǒng)由三大部件組成并相互配合共同工 作，發(fā)動機輸出的功率、扭矩通過推進器在水中 的運動最終轉(zhuǎn)換為克服船體阻力推動船舶運動的 推進力。所以在船舶實際航行中，主發(fā)動機 傳動設(shè)備推進器船體組成了船舶運動的 一個統(tǒng)一體系，實際是一

2、個熱能機械水動力 系統(tǒng)，各個部件之間共同配合工作，特性相當復(fù) 雜。 船 機 槳 動 力 參 數(shù) 關(guān) 系 主機傳動螺旋槳船體 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變速變矩推力、速度阻力 推進系統(tǒng)的動力配合特性 當船舶做等速直線航行時，發(fā)動機和螺旋槳之間 的動力參數(shù)有如下關(guān)系： （1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne和螺旋槳np相等或者稱一定線 性比i（傳動機組減速比）， ne=np；ne/i=np （2）發(fā)動機輸出扭矩Me減去軸系和傳動設(shè)備消耗 的力矩Mf，等于克服螺旋槳阻力Mp， Mp=Me-Mf或Mp=Me*i-Mf （3）發(fā)動機的輸出功率Pe減去軸系和傳動設(shè)備的 功率耗損或乘上傳動效率 ，即為螺旋槳收到的 效率Pp: 機 槳 動 力

3、 參 數(shù) 關(guān) 系 cep PP c 推進系統(tǒng)的動力配合特性 螺旋槳需要的功率是與船速相應(yīng)的船體阻力所決 定。螺旋槳和船體關(guān)系如下： （1）螺旋槳的進速Vp等于船速Vs與流體u之差， 即 Vp=Vs-u=Vs（1-w） （2）螺旋槳有效推力Te等于船體阻力R， Te=T（1-t）=R （3）螺旋槳收到的功率Pp后，通過自身在流場內(nèi) 的作用，發(fā)出船體阻力所需要的有效功率PR 船 槳 動 力 參 數(shù) 關(guān) 系 螺旋槳推進效率船身效率 相對旋轉(zhuǎn)效率螺旋槳敞水效率 ts rp tPsTsrppR PPPP 推進系統(tǒng)的動力配合特性 由此可知，推進系統(tǒng)工作特性是發(fā)動機-傳動機組 及螺旋槳、船體在外特性方面的綜

4、合匹配，是他 們之間功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、效率、推力和船速等 參數(shù)在推進系統(tǒng)工作時的運動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系。 船舶在航行時的阻力、航速等參數(shù)不僅決定于船 體尺度和線型，還取決于航行中的海況、風浪、 激流及裝載量等因素；航行中除了額定工況外， 還有部分工況、船舶起航、加減速、倒車和轉(zhuǎn)彎 等操縱方式的變化；船-槳-機本身性能的不斷變 化等。 船 機 槳 動 力 參 數(shù) 關(guān) 系 推進系統(tǒng)的動力配合特性 因此，不同的外載荷、不同的運行工況、裝置部件 性能上的變化等，都會引起動力特性及其配合特性 的變化，為此一般將推進系統(tǒng)的動力配合工作特性， 分為穩(wěn)態(tài)工作特性和變工況或動態(tài)工作特性。 所謂穩(wěn)態(tài)工作特性是指推進系

5、統(tǒng)能量平衡情況下的 船-機-槳工況配合特性，該工況下船舶是在所設(shè)計 的線型、尺度和載重量下運行，氣象條件和海況均 為設(shè)計任務(wù)書所規(guī)定，槳直徑和螺距均為設(shè)計值， 主機輸出功率和轉(zhuǎn)速為設(shè)計值，航速也為設(shè)計航速。 而動態(tài)工況則至少有一配合的特性或工作條件偏離 設(shè)計值，則平衡受到破壞。 船 機 槳 動 力 參 數(shù) 關(guān) 系 推進系統(tǒng)的動力配合特性 研究推進系統(tǒng)動力配合特性的目的是：1）通過選 擇設(shè)計工況，合理選擇船-槳-機的技術(shù)參數(shù)；2） 比較各類推進裝置特點確定各部件的型號、規(guī)格； 3）分析已確定的推進裝置在非設(shè)計工況下的工作 能力和適應(yīng)性，尋求比較合理的配合特性，以提高 整個動力裝置的技術(shù)性能和經(jīng)濟

6、性能。 p柴油機外特性和工作范圍 p傳動設(shè)備工作特性 p螺旋槳推進特性 p船體阻力特性 船 機 槳 動 力 參 數(shù) 關(guān) 系 推進系統(tǒng)的動力配合特性 船用發(fā)動機的外特性與陸用發(fā)動機的外特性基本相 同，但某些特性的含義和工作范圍的規(guī)定有些區(qū)別。 下圖為柴油機外特性曲線簇。 柴 油 機 外 特 性 和 工 作 范 圍 曲線4代表極限功率，pe超過110%， 只能在試車臺瞬間運行； 曲線3代表全功率限制線，pe等于 110%，在試車臺只能運行1h， 曲線2為使用功率限制線，只能 短時工作3h； 曲線1為100pe的額定功率線，允 許運行12h，發(fā)動機欲長時間持 續(xù)運行，pe小于100%，一般為85-

7、90%。這些是柴油機速度特性的 一些限制，稱為船用柴油機的最 高負荷限制。 推進系統(tǒng)的動力配合特性 柴油機的工作范圍除最高負荷限制外，還有最低負 荷限制。由于技術(shù)制造條件的局限，尤其是噴油系 統(tǒng)和增壓器，偏離額定工況點其性能會有明顯變化， 因而在部分負荷時規(guī)定了最低負荷限制線。對增壓 柴油機，噴油量少會造成各缸工作不穩(wěn)定、工作循 環(huán)不均勻、燃燒惡化、積碳增加，特別嚴重時排氣 溫度降低，直接影響增壓器性能，甚至不能正常工 作。一般以55%額定功率為最低負荷限制線。 柴 油 機 外 特 性 和 工 作 范 圍 推進系統(tǒng)的動力配合特性 船用柴油機還有最高轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制，最 高轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的

8、103%，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速主要決定 于噴油系統(tǒng)和增壓器，轉(zhuǎn)速過低、噴油霧化不良、 壓縮終點的溫度壓力降低、燃燒不良常常會使增壓 器無法工作，最終導(dǎo)致自動熄火。因而一般低速柴 油機一般以30%為最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，高速柴油機為 40%-50%。另外，增壓柴油機當轉(zhuǎn)速降至85%以下時， 若噴油量仍保持不變，會引起過量空氣不足后燃嚴 重，造成增壓渦輪前排氣溫度過高，熱負荷超過允 許范圍而引起事故，因而一般制造廠還規(guī)定了熱負 荷限制線，增壓柴油機的速度特性圖上，工作范圍 只能在一定區(qū)域內(nèi)。 柴 油 機 外 特 性 和 工 作 范 圍 推進系統(tǒng)的動力配合特性 傳動設(shè)備的加速、變速和離合功能使船-槳-機配合發(fā)生變

9、化或有所改善。船舶推進系統(tǒng)和車輛動力機械有類似的情 況，即希望在重載工況、爬坡、加速等情況下，能使發(fā)動 機全功率運行，以發(fā)出盡可能大的推進力或驅(qū)動力，傳動 設(shè)備可通過減速或變速改善這方面性能。下圖反映柴油機 經(jīng)減速、變速后的牽曳特性。 傳 動 設(shè) 備 工 作 特 性 曲線1為等功率線，良好的牽曳性能就是在 托載增加時，輸出軸轉(zhuǎn)速雖然被迫下降， 但其輸出功率不變，則扭矩提高，推進力 增加。 曲線2是柴油機未經(jīng)減速后的Me-ne曲線，與 等功率線在nH處相交。經(jīng)一級減速后，Me- ne曲線與等功率曲線的交點就上升，即Me 得以提高，柴油機仍發(fā)出全功率。 工程船采用雙級以上變速，逐級提高輸出扭矩，負

10、荷嚴重時，仍能保持全功率。 推進系統(tǒng)的動力配合特性 螺旋槳的功能使吸收主機功率并將其轉(zhuǎn)換為船舶運 動需要的推進力，本身具有轉(zhuǎn)速np，并跟船一起作 軸向移動。螺旋槳相對于水的軸向前進速度稱為螺 旋槳的進速vp. 螺 旋 槳 推 進 特 性 進程比 代表螺旋槳回轉(zhuǎn)一周的軸向進程與槳徑的比值。 螺旋槳扭矩 螺旋槳功率 p 2 2pp ncM 3 pP nCP 螺旋槳推力和扭矩與轉(zhuǎn)速平方成正比；槳功率與轉(zhuǎn)速三次 方成正比。 推進系統(tǒng)的動力配合特性 螺 旋 槳 推 進 特 性對應(yīng)一個進程比就有一條推進特性曲線，也 對應(yīng)不同的效率，同一轉(zhuǎn)速下，進程比減小， 扭矩增加，所需功率也增加，因此，進程比 愈小，推

11、進特性曲線越陡、效率愈低。 推進系統(tǒng)的動力配合特性 上述說明了幾何參數(shù)已確定的螺旋槳在各個穩(wěn)定工況下工 作時的特性變化規(guī)律。螺旋槳幾何參數(shù)不同時，其推進特 性也不同。螺旋槳幾何參數(shù)主要有槳徑D，螺距比H/D和盤 面比A/Ad等，D對推進特性影響最大，對同一直徑的螺旋槳， 其螺距H或槳葉展開面積A越大，產(chǎn)生的推力就越大，相應(yīng) 吸收的扭矩和功率也越大。 螺 旋 槳 推 進 特 性 由圖可知，可調(diào)螺距螺旋槳的 推進特性在運行中可以改變， 當船體阻力條件不變時，即進 程比為常數(shù)時，螺距沒調(diào)節(jié)一 次，特性曲線就變動一次，H/D 變化越大，特性曲線越陡。 同一特性曲線，既可以看作螺距不變時代表某一船舶阻力

12、條件下的特性，又可 以視為船舶阻力條件不變時而改變螺距時的特性。 推進系統(tǒng)的動力配合特性 船舶航行阻力可以分為摩擦阻力、漩渦阻力和興波 阻力，三種阻力均隨著速度的增加而增加。對于船 型已定的船，各種系數(shù)隨著船速變化而不相同，一 般： 另外在不同航速下各種阻力成分比例也不相同，同 一條船低速時摩擦阻力占主要成分；而高速時，興 波阻力稱為成為主要成分，漩渦阻力主要決定于船 體形狀和附屬結(jié)構(gòu)物，與船速關(guān)系不大。 船 體 阻 力 特 性 4286. 1 sss vRvRvR，興波阻力，漩渦阻力摩擦阻力 推進系統(tǒng)的動力配合特性 對于排水型船舶，以摩擦阻力為主，其阻力與航速 呈二次方關(guān)系。對于高速快艇、滑

13、行艇以及水翼艇， 阻力與速度變化較為平坦，這是因為船只進入滑行 狀態(tài)后興波阻力大量下降的緣故?？傊?，阻力 和速度的關(guān)系近似為二次方關(guān)系。 船 體 阻 力 特 性 推進系統(tǒng)的動力配合特性 如上圖所示，船體阻力特性大約與航速的平方成正 比關(guān)系，不同阻力系數(shù)表示不同的航行工況，對于 船體有效特性，因為 所以功率與航速呈 三次方關(guān)系。 船 體 阻 力 特 性 sR vRP 動力配合特性 船舶航行時動力或推進力與外界阻力之間存在普 遍規(guī)律，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速、傳動比、傳動效率、螺 旋槳幾何尺寸、阻力特性等初步確定后，便可利 用這些關(guān)系分析推進系統(tǒng)化的動力配合特性，以 確定可能達到的最高速度、加速能力等。為

14、合理 選擇設(shè)計工況點和優(yōu)選發(fā)動機及各部件提供依據(jù)。 動力配合特性 為了清晰而形象地表明船舶行駛時的受力情況及 平衡關(guān)系，一般將前述關(guān)系用圖解法來進行分析， 也稱之為工況配合特性分析。對于船舶，由于船- 機-槳之間關(guān)系復(fù)雜，其中任一特性發(fā)生改變，必 然會影響其他兩者的運行狀態(tài)，從而影響平衡， 因此必須將三者聯(lián)系起來，最便利方式即為將三 者放在同一坐標系中研究。 因此船-槳-機的配合 可簡化為機-槳的配 合來研究 動力配合特性 由圖中可知，在一定條件下，船舶航速和螺旋槳轉(zhuǎn)速之間存在一定的比 例關(guān)系，如已知其中一個參數(shù)，即可求得另外一個參數(shù)，即采用不用的 比例即可將其放在同一坐標系中，使之兩者重疊。

15、 動力配合特性 船體阻力特性和螺旋槳特性 可以相互轉(zhuǎn)化，船機槳三者 配合可以簡化為機-槳兩者 的配合來討論，如4.12所示， 曲線1為柴油機外特性曲線， 而曲線2為螺旋槳推進特性， 也包含某工況的阻力特性， 因此，船機槳三者的特性配 合變?yōu)闄C槳的配合，特性曲 線1和曲線2的交點A即是機 槳配合的平衡點，也是船機 槳共同配合的平衡點。 動力配合特性 船 槳 機 配 合 工 作 穩(wěn) 定 性 A為機槳之間工作配合點，即運行 設(shè)計點 2 1 pp pp 阻力減少， 阻力增加， 無論外界負荷發(fā)生如 何變化，若一旦消失， 偏離會自動降低至零， 說明該配合工作點是 穩(wěn)定的。 動力配合特性 船 槳 機 配 合

16、 工 作 穩(wěn) 定 性 實際的推進裝置常用傳動機組，對于這類裝置，可將齒輪 等線性傳動設(shè)備和發(fā)動機視為一體，主動扭矩只要扣除 有關(guān)傳動損失、乘上減速比即可。對于多臺發(fā)動機驅(qū)動 一個螺旋槳和軸帶輔機之類的推進裝置，在討論配合工 作特性前營作適當處理，基本原則： 總的動力扭矩應(yīng)是多臺發(fā)動機輸出扭矩之和，將各自轉(zhuǎn) 速通過改變比例關(guān)系后可進行簡單疊加，扣除傳動設(shè)備 的傳動損失后就得到總的動力扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線。 總的負荷扭矩應(yīng)是螺旋槳阻力矩和其他負荷如軸帶發(fā)電 機、軸帶輔機等扭矩之和，同理在扭矩-轉(zhuǎn)速坐標系上改 變比例關(guān)系，得到總符合扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線。 單一的動力和單一的負荷問題 總動力扭矩和轉(zhuǎn)速特性

17、線=總負荷扭矩和轉(zhuǎn)速特性線 單機單槳推進裝置的動力配合特性 設(shè) 計 點 附 近 輕 重 載 工 況 配 合 壞積碳積污，工作性能變 重載工況時， 效率下降螺旋槳偏離原特性，槳 輕載工況時， eHepHppHp eHepHppHp PPvvnn PPvvnn , , p1p p2p 可以看出，在額定推進線左 上方為重載區(qū)，在右下方為 輕載區(qū)，不論何種，螺旋槳 均偏離了設(shè)計條件，推進效 率有所降低，而發(fā)動機工況 也離開設(shè)計條件，均發(fā)不足 額定功率。 單機單槳推進裝置的動力配合特性 系 泊 工 況 配 合 系泊工況，即是船舶在系纜 情況下，對推進系統(tǒng)運行試 驗，一般是試驗之前，必須 進行系泊試驗，主

18、要特征為： 如左圖， 是系泊工況 下槳特性線，由于熱負荷限 制曲線的約束，系泊工況下 發(fā)動機的油門不得推至最大 位置，一般控制在80%，短 時間內(nèi)加大油門，達到100% 是允許，這時發(fā)動機冒黑煙 嚴重，只允許連續(xù)工作幾分 鐘。 0, 0 sp v 0 p 單機單槳推進裝置的動力配合特性 部 分 工 況 配 合 和 發(fā) 動 機 剩 余 功 率 由于船舶航行的要求在外界條件和裝載負荷不變情況下有 時要降低航速，此時機-槳配合點將沿原推進特性 往下 移動，如圖4.15所示B、C、D、F均是部分負荷下可能的運 行配合點，顯然這些配合點都符合條件： 上述各工況配合點的轉(zhuǎn)速和功率可參考油門位置來確定， 在

19、實際操作中，油門的手柄位置與 幾乎成線性關(guān)系。 pH eHppHppHp PPnnMM, e p 單機單槳推進裝置的動力配合特性 部 分 工 況 配 合 和 發(fā) 動 機 剩 余 功 率 在部分負荷工況下，螺旋槳特性線與發(fā)動機外特性線之間 存在一定差值，即柴油機能發(fā)出的功率和扭矩均大于螺旋 槳所需的功率和扭矩。因此在部分工況下，發(fā)動機均存在 部分潛力。這相當于車輛發(fā)動機在非最高車速情況下，可 用作加速和爬坡的后備功率，然而對船舶來說，常稱這部 分沒能發(fā)揮的功率為剩余功率。若不考慮發(fā)動機熱負荷限 制線的約束，對某一部分工況的配合運行點來說，剩余功 率是一具體值。 單機單槳推進裝置的動力配合特性 軸

20、 帶 負 荷 情 況 下 機 槳 工 況 配 合 分 析 單機單槳推進裝置的動力配合特性 多 速 比 傳 動 推 進 裝 置 的 工 況 配 合 特 性 2. 單機單槳推進裝置的動力配合特性單機單槳推進裝置的動力配合特性 5）多速比傳動推進裝置的工況配合特性）多速比傳動推進裝置的工況配合特性 2. 單機單槳推進裝置的動力配合特性單機單槳推進裝置的動力配合特性 5）多速比傳動推進裝置的工況配合特性）多速比傳動推進裝置的工況配合特性 通過以上分析，這種雙速比傳動的推進裝置使得發(fā)動機通過以上分析，這種雙速比傳動的推進裝置使得發(fā)動機 功率得到充分發(fā)揮，基本可以達到全功率，因此無論自由航功率得到充分發(fā)揮

21、，基本可以達到全功率，因此無論自由航 行還是拖帶航行，發(fā)動機工況基本可以維持在額定功率。雖行還是拖帶航行，發(fā)動機工況基本可以維持在額定功率。雖 然在拖帶工況時螺旋槳效率相對于自由航行時較低，但與直然在拖帶工況時螺旋槳效率相對于自由航行時較低，但與直 接傳動或單速比傳動的定距槳相比，其自由航行時槳轉(zhuǎn)速或接傳動或單速比傳動的定距槳相比，其自由航行時槳轉(zhuǎn)速或 航速較高，這對高增壓中速柴油機尤為適宜。從圖中還可看航速較高，這對高增壓中速柴油機尤為適宜。從圖中還可看 到，采用第二級速比后，槳的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，工作到，采用第二級速比后，槳的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，工作 范圍的下限擴大了，或者說微速推進

22、性能有所改善。范圍的下限擴大了，或者說微速推進性能有所改善。 3. 多機并車推進裝置的配合特性多機并車推進裝置的配合特性 3. 多機并車推進裝置的配合特性多機并車推進裝置的配合特性 3. 多機并車推進裝置的配合特性多機并車推進裝置的配合特性 4. 調(diào)距槳推進裝置工況配合特性調(diào)距槳推進裝置工況配合特性 4. 調(diào)距槳推進裝置工況配合特性調(diào)距槳推進裝置工況配合特性 4. 調(diào)距槳推進裝置工況配合特性調(diào)距槳推進裝置工況配合特性 1）調(diào)距槳基本特性）調(diào)距槳基本特性 調(diào)距槳推進裝置的工況配合特性取決于下述三個基本特性。調(diào)距槳推進裝置的工況配合特性取決于下述三個基本特性。 （1）調(diào)距槳推進裝置在任何工況下均能

23、吸收主發(fā)動機的全功率。對定）調(diào)距槳推進裝置在任何工況下均能吸收主發(fā)動機的全功率。對定 距槳推進裝置，當艦船處于重載或輕載時，由于受到發(fā)動機最大扭矩距槳推進裝置，當艦船處于重載或輕載時，由于受到發(fā)動機最大扭矩 和轉(zhuǎn)速的限制，發(fā)動機只好降功率使用。而對調(diào)距槳推進裝置，則可和轉(zhuǎn)速的限制，發(fā)動機只好降功率使用。而對調(diào)距槳推進裝置，則可 根據(jù)阻力因素、航行工況來調(diào)整螺距，使發(fā)動機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速不變，根據(jù)阻力因素、航行工況來調(diào)整螺距，使發(fā)動機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速不變， 始終運行在額定工況下。如圖始終運行在額定工況下。如圖4.19，外界阻力增大可減小螺距、反之，外界阻力增大可減小螺距、反之 可增大螺距。因而調(diào)距槳能有效改善多工況艦船推進性能?？稍龃舐菥?。因而調(diào)距槳能有效改善多工況艦船推進性能。 4. 調(diào)距槳推進裝置工況配合特性調(diào)距槳推進裝置工況配合特性 （2）由圖）由圖4.20可見，改變螺距比和可見，改變螺距比和 轉(zhuǎn)速可得到相同的航速，也就是說，轉(zhuǎn)速可得到相同的航速，也就是說， 只要在柴油機工作范圍內(nèi)，任意匹只要在柴油機工作范圍內(nèi)，任意匹 配（配（H/D）-n艦船都可得到需要的航艦船都可得到需要的航 速。速。 （3）由圖）由圖4.20可見，如保持螺旋槳可見，如保持螺旋槳 轉(zhuǎn)速不變，即使發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，轉(zhuǎn)速不變，即使發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變， 只要改變螺距