船舶動力裝置2

1、第七章 船舶推進軸系扭轉振動及其控制 Torsional vibration and its control for ship shafting 7-1 概述 General Introduction 軸系振動有：扭轉振動(Torsional vibration)、回轉振 動(Rotary vibration)（橫振-Transverse vibration）、 縱向振動(longitudinal vibration)。其中以扭轉振動 為主，當周期性的交變力矩作用的頻率與自振頻率 相同時，將產生共振( resonance)。 我國“船規(guī)”規(guī)定220kW（300HP）以上的船舶都要 申報扭振計算

2、書(Torsional vibration calculation)。 一、扭振的概述 1、軸系扭振的成因及危害 軸系本身具有扭轉振動的基本特性：彈性 (elasticity)與慣性(Inertia) 軸系承受不均勻的干擾力矩(Disturbance moment) 當扭轉振動所產生的應力超過許用值時， 會對軸系產生極大的破壞作用。 二、船舶規(guī)范(ship specifiction) 三、扭轉振動的基本概念 1、扭擺有阻尼的強迫振動 圖示的單質量系統(tǒng)，軸只計柔度(flexibility)， 不計慣量(moment of inertia)，圓盤只計慣 量，忽略彈性。 穩(wěn)態(tài)時 S+U+R+T=0

3、慣性力矩 moment of inertia 彈性力矩 moment of elasticity 阻尼力矩 moment of damp 干擾力矩 tMT CR e U IS sin ) 2 sin( 4)( )sin( sin2 2 1 0sin 22 1 22222 0 22 1 2 n n n nt n n n tgt n h tneA thn I M h I C n eI tMC e I 設 為自由振動時的解 (solution), equation of motion 無阻尼時，即n=0 0 22 11 sin( tneA n nt 1 2 2 2 22 2 22222 22 1 2

4、2222 2 011 )(4)(1 1 4)( )sin( ) 2 sin( 4)( )sin( nnn n n n n n n h n h A tA n tgt n h tA 放大系數(shù) (amplification coefficient) amplitude)( 2 staticAMeIe I Mh st n 靜振幅 ),( )()(1 1 222 n nn st f A A m 討論： 2 2 1 12)4 1 1)3 0)2 10) 1 22 1 2 n n nn n n n n st n n tg eI Ie m m m AAm 時共振 下降可使或增大 影響最大此時阻尼對放大系數(shù)的

5、小結： 1）系統(tǒng)自振頻率(natural vibration frequency)僅與 結構有關 2）強迫振動(forced vibration)頻率與干擾力矩頻率 相同，但由于阻尼存在，共振( resonance)時， 強迫振動的相位落后于干擾力矩相位/2，并產 生動力放大。 3）減振方法：增加阻尼，改變自振頻率及改變干 擾力矩。 2、雙質量系統(tǒng)(two mass system)的扭轉振動 兩質量均作簡諧振動(Harmonic vibration)，頻率相同， 初相位(initial phase)相等，振幅不同，慣量大的振幅 小，慣量小的振幅大，且振動方向永遠相反。 1221 21 2 2

6、1 1 2 22 11 2211 12 21 11 21 121 )sin( )sin( 0 0 0 0 eII II I I A A tA tA II e I SS US n n 振型圖Vibration chart A1 A2 e12 A1 A2 A3 A3 e12e23 A1 A2 O 單結 雙結 單結 取A1=1，A2=-I1/I2，O為結 點(node)，振幅為0，應力最 大，雙質量只有一個結點。 三質量系統(tǒng)有兩個自振頻率， 單結或雙結，即兩個結點。n 個質量就有n-1個振型，n-1個 自振頻率。 7-2 推進軸系扭振計算 Torsional vibration calculatio

7、n for Propulsion shafting 一、推進軸系的?；?modelling) 模化原則rules： 1）以每一曲柄回轉平面中心線為單缸運動質量的集中點 2）發(fā)動機輸出端之后，以具有較大轉動慣量部件的中心線作為 質量的集中點 3）對于軸系的轉動慣量，當軸段較短時可以忽略或把它平均分 配到飛輪和螺旋槳的質量上 4）齒輪傳動時，把主、從動齒輪的轉動慣量按傳動比合并成一 質量，落點在主動齒輪中心線上 5）兩相鄰集中質量之間的連接軸，按柔度作為該兩質量中心的 當量軸段長 6）軸系中有彈性聯(lián)軸器或氣胎離合器時，應把它們的主、從動 部分分為兩集中質量 7）軸系中有液力偶合器時為界，分成兩個獨

8、立的扭振系統(tǒng) 8）被發(fā)動機拖動的機械，轉動慣量大的也要作一集中質量 c n n ( 二、多質量系統(tǒng)無阻尼簡諧振動計算 Multi-mass system )sin()sin()sin( )sin()sin()sin( )sin()sin()sin( )sin()sin()sin( 11 ) 1( 22 )2( 11 ) 1 ( 321 ) 1( 1 )2( 1 ) 1 ( 1121 11 ) 1( 11 ) 1( 2211 ) 1( 11 22 )2( 22 )2( 2222 )2( 11 11 ) 1 ( 11 ) 1 ( 2211 ) 1 ( 11 nn n kkkk n n nn n n

9、nnn n nn n nn nn tAtAtA AAA tAtAtA tAtAtA tAtAtA ，高速機一般只考慮 軸段變形質量位移質量振動位移 離體取第一、二質量作為分 取第一質量作為分離體 ), 1() 1( )( 00 00 1 1 , 11 2 1 23222112323 23 32 22112321 111212 12 21 11121 kkkk Ie IeIIe e IIUSS Ie e IUS i k i ikkkk i ii 0 )sin( )sin( 1 2 1, 1 1 2 , 11 1 1 2 , 11 2 1 2 2323 11 2 1212 2 max 2 i n

10、i innn i n i innnnn i k i inkkkk i i in n nnn n AIU AIeAA AIeAA AIeAA AIeAA AtA tA 自由段： 對簡諧振動 合適可認為所取 或 ，若值，得到試算一個取 n n in n i i in n i i n i ini nn AI AI AI AI AAAA %1 %5 ,1 1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 321 應力標尺 Stress scale 實際應力 Real Stress 11, 01, 1, 1, 1, 0 A W u kkkk kk kk kk 為減少累計誤差cumulative error，通常采

11、用 無因次參數(shù)(dimensionless parameters)計算。 名稱轉動慣量 moment of inertia 柔度flexiciblity振幅amplitude頻率 frequency 彈性力矩moment of elasticity 有因次IKeK,K+1AKn2 Uk,k+1=(AK+1-AK)/ eK,K+1 無因次K=IK/IS EK,K+1= eK,K+1/eSK=AK/AS=ISeS n2K,K+1=eSuK,K+1/AS 經過無因次變換以后，計算方程變?yōu)椋?1=1 1,2= 1 1 2= 1- 1,2E1,2 2,3= 1,2+ 2 2 3= 2- 2,3E2,3

12、K= K-1- K-1,KEK-1,K K,K+1= K-1,K+ K K n= n-1- n-1,nEn-1,n n,n+1=n-1,n+ n n=0 三、軸系扭振的強迫振動計算 1、干擾力矩及其共振轉速 柴油機動力裝置，氣體壓力是不均勻的， 其所產生的扭矩也在變化，其它部件產 生的力矩不均勻性與之相比可不計。 n個質量系統(tǒng)的運動狀態(tài)方程Motion equation of state用矩陣matrix可表示為： KKKK ABCM 設多缸柴油機第K個缸輸出的扭矩為Mg（K） 為簡諧系數(shù)(harmonic coefficient)， 對二沖程柴油機=1，2，3，12, 對四沖程柴油機=1/2

13、，1，1.5，10 ()() 0 1 2 sin() 4 KK g i MMMt MCD RCa pb 臨界轉速(critical speed)nc：共振工況下相應的發(fā) 動機轉速。臨界轉速并不是只有一各。因為干 擾力矩的頻率為，只要 =n就會發(fā)生共振， 所以臨界轉速通常要指明幾結幾次。 共振時： =n 若此時對應的轉速為Nn， n=2 Nn/60 Nn=9.55 n 只要n= Nn， n就是臨界轉速nc n=nminnmax 2、干擾力矩所作的功 1）單個干擾力矩所作的功 22 00 sin sin() sin()cos()() 0 sin , 2 kk mk m mk mk TMt Am t

14、 WT dMt Am td t mW mWM A WM A 時,干擾力矩不輸入功 時, 共振時,干擾力矩輸入功最大 2）多個干擾力矩所作的功 假定各缸壓力相同 M1=M 2= M 3=. 但各缸作用的時間不同，它取決于發(fā)火順 序和發(fā)火間隔角，如果第k個缸與第一缸 的發(fā)火間隔角為1，k，干擾力矩相位差為 1，k 1 11 1 1 1 1 1 1 1 sinsin sin sin , 2 zz mkkkk kk kk z kk k z k m k z k m k z k k WMAM A WM A WM A ， 同一簡諧振動形式下各質量初相位相同為 將變成矢量求和 發(fā)生共振時 稱相對振幅矢量和 干

15、擾力矩基本矢量圖(vectorgraph)特征： 1）矢量的個數(shù)等于氣缸數(shù) 2）當=qk是為主簡諧(key harmonic) ，相 應的臨界轉速為主臨界轉速，q為曲柄端 面圖上曲柄數(shù)，k=1，2，3 3）q矢量圖重復。 對V型機 為V型機夾角，為左右列同排編號氣缸 發(fā)火間隔角 2cos 2 krk 3、用能量法求解強迫振動振幅（A1） 在進行強迫振動時假定(Assumption)： 1）共振工況是穩(wěn)定的。即干擾力矩輸入的能 量全部被阻尼所消耗 2）共振工況下，與系統(tǒng)自振頻率不等的各諧 次干擾力矩所引起的振幅遠小于與系統(tǒng)自 振頻率相等的那一簡諧干擾力矩所引起的 振幅，只考慮=m 3）共振時，引

16、起共振的干擾力矩頻率與系統(tǒng) 自振頻率相等，共振振型和對應的系統(tǒng)自 由振動振型相似，振幅按比例放大。 系統(tǒng)阻尼和阻尼功 2 2 0 222 111 1 1,2 4222 max 121 3 max sin cos 0.126 112 104.55 (0.1333)( /0.07) c kk k ck kpL z kk k ppnp MC Am t A mm t M dmc A RRR RAT A e Pa RnAT A nah D R c （） （） W 由于阻尼系數(shù)很難確定，阻尼功按經驗公式計算 如果發(fā)動機、螺旋槳和軸段的阻尼功分別為、 67/37/3 ,131 5 1 227/3 11121

17、311 11 25 10 () j i i Lk k i i k kk K l uT A d RAT AT AT AM A AAA 這樣就可以求出 、那么 4、用放大系數(shù)法求解強迫振動振幅（A1） 對單質量系統(tǒng)m=A1/Ast 在多質量系統(tǒng)中，放大系數(shù)m0表示系統(tǒng) 在一組具有相同諧次的干擾力矩作用下 產生強迫振動的振幅A1與將干擾力矩的 幅值作為靜力矩作用在系統(tǒng)上同一質量 （第一質量）的平衡振幅Ast的比值。 靜力矩所作的功=系統(tǒng)的彈性勢能 m0= A1/Ast 一個循環(huán)靜力矩所作的功為 彈性勢能elastic potential energy z k k AM 1 1 2 1 2 1 2 1

18、 2 2 1 k n k kn IA 01 1 22 1 mAA I M A st n k kkn z k k st 第一質量的實際振幅可以比較容易的從實 船中測得，這樣就可以確定放大系數(shù)。 根據(jù)實測資料和經驗，各部件的放大系數(shù) 如212頁表6-7 3210 1111 mmmm 四、非共振計算no-resonance 假定：1）非共振振型和自由振動振型相同 2）只考慮共振時的某一諧次干擾力矩 3）非共振情況下阻尼作用與共振時相 同 22 0 2 2 1, 1, 22 0 2 1 1 )()(1 )()(1 cc KKKK cc n n m n n n n m n n AA 7-3 推進軸系振動

19、的計算 一、簡單回避法 劃禁區(qū) （0.81.05）ne不能劃禁區(qū) e c c c n n r n rn 16 18 185 16 二、調頻避振法 1、改變系統(tǒng)的轉動慣量I 通常是改變飛輪的重量，飛輪的轉動慣量 增加，系統(tǒng)自振頻率下降并使結點向飛 輪靠攏，槳振幅加大，槳阻尼大，消耗 功大。要考慮雙結頻率的改變。 Ie n 1 2 2、改變系統(tǒng)柔度 1）改變軸系長度，增加長度NI下降 2）加裝彈性聯(lián)軸器 3）增大軸直徑 3、選定適當?shù)穆菪龢獞T量 三、增加系統(tǒng)阻尼 在系統(tǒng)中裝阻尼減振器 某四沖程五缸柴油機（1-5-2-3-4-1）軸系模型 圖如下，物理參數(shù)如表，nmin=40，nmax=105 序號

20、序號1234789101112 轉動慣量轉動慣量 kgm2 5.981.081.042.9132.91351.4630.61.1153.944 扭轉剛度扭轉剛度 Nm X10-5 8.2392.2150112.78169.660.50.550.29 求： 1） ，并畫出相應的振型圖 2）臨界轉速及及其對應的，并畫出矢 量圖 3）工作范圍內是否存在主簡諧。 第六章 推進裝置工況配合特性 Characteristic Matching of Propulsion Plant Operation Condition 6-1 概述 發(fā)動機：加入燃料，輸出扭矩 傳動設備：輸入扭矩，輸出扭矩 推進器：輸入

21、扭矩，輸出推力 推進裝置在能量支配下的共同配合工作所 反映出來的特性稱推進裝置工作特性， 即船漿機配合各種特性。 圖6-1 當船舶等速直線航行時，發(fā)動機與螺旋槳之間參數(shù) 關系： 1）發(fā)動機轉速ne和螺旋槳轉速np: ne/i=np 2)發(fā)動機扭矩Me 減去傳動設備損耗的扭矩MT，等 于克服螺旋槳轉動的阻力矩: Mei-MT=Mp 3）發(fā)動機功率Pe與螺旋槳吸收功率Pp：Pec=Pp 螺旋槳與船體之間： 1)螺旋槳進速p等于船速s與流體速度之差： p= s-u= s(1-) 2）螺旋槳推力Te等于船體阻力R： Te=T(1-t)=R 3）螺旋槳吸收功率Pp與克服船體阻力所需功率PR Pp prs

22、=PT s=Pp t=PR 6-2船、槳、機的主要工作特性 Operation Characteristic of Ship, Propeller and Main Engine 一、 柴油機的工作特性Operation Characteristic of Diesel Engine The external characteristics of diesel engine e e e e e he e pC n P M nCp m inVp P 55.9 30 圖6-2 圖6-3 圖6-4 MCR：柴油機長期持續(xù)運轉的最大功率 Operation Range of Diesel Engine

23、 圖6-5 二、螺旋槳的推進特性Propulsion Characteristics of Propeller 1、螺旋槳的基本特性Basic Characteristics of Propeller )( 2222 )(, 52 42 52 42 p p M T p p M T pMp ppT pp p p p pp p pMT pMp pT f K K Dn v K K DnKn vDnK Mn Tv Dn v D h fKK DnKM DnKT 圖6-6 討論 attention: 1）p ，situation:如柴油機突然加速，由于慣 性，船舶航速來不及上升，或船舶突遇風浪， 阻力增加

24、 R ，p KT,KM T,Mp Me 2) p ,如空載(idler)，輕載或順水(downstream) R p KT,KM T,Mp Me 3） p =0, p =0 系泊工況(Mooring condition )， KT,KM 最大， T,Mp最大，為防止柴油機超負 荷，要求ne75%nH，這時p=0。 p的變化反映了螺旋槳負荷的變化，也就是船 舶推進裝置外界負荷的變化。 2、螺旋槳推進特性 Characteristic of Propeller 1）穩(wěn)定工況時 2）工況發(fā)生變化達到新的穩(wěn)定狀態(tài)時， p穩(wěn)定在新 的值C1,C2,C同時變化為新值。 52 42 DnKM DnKT pM

25、p pT 3 2 2 2 1 55. 9 , p pp p ppp MTp p p Cn nM P nCMnCT constKKconstconst n v 圖6-7 3)槳參數(shù)D，H P PMT MTDH MTDDKDK ,/ , 54 三、船體阻力特性Characteristic of Resistance 形式：摩擦阻力、興波阻力、旋渦阻力 The friction drag, wave drag, vortex drag 船速低時，以摩擦阻力為主，船速高時， 興波阻力為主 ，輕載 ，重載 pR pR sR s R sR aR aR va Rv P vaR , , 102 3 2 圖6-

26、8 圖6-9 6-3 推進裝置在穩(wěn)態(tài)設計工況的匹配 Match at the stable design condition 一、配合統(tǒng)一坐標Unified coordinate 穩(wěn)態(tài)時，有效推力 32 2 33 22/1 22 )( pppp eeeee pRsRR ppp R T s sRpTe CnPnCM nCpPpCM nPvaP nRCnn a C v vaRnCT 這樣，只要調整比例尺，就可以將p,np,ne重疊 在一個坐標圖中的橫坐標，Pe,Pp,PR重疊在一 個縱坐標，而船體的阻力（或阻功率）與螺 旋槳的推力（或推功率）可以相互轉換，船 槳機的配合就轉化為機槳配合問題。 圖6

27、-10 圖6-11 二、配合的基本原則Basic Rules of Matching 1、配合前的處理原則： 1）帶傳動齒輪箱with gearbox 將扭矩乘以傳動比Transmission ratio ，轉速除以 傳動比，再與槳配合 2）軸帶負荷Axial load ：先將負荷疊加成單一負 荷 3）多機并車multi-paralleled ：動力疊加成單一 動力特性 2、設計匹配點選擇 基本原則：主機發(fā)出額定功率，槳的效率最高。 圖6-12 圖6-13 三、配合選擇時要注意的問題Notes for matching 1、主機功率使用范圍 圖6-14 2、主機功率儲備power reserv

28、ation of marine engine 1）海況儲備(sea condition)：功率儲備10 15%，轉速儲備3.55% 圖6-15 2）主機能力儲備(main engine contidion) 考慮到主機使用一定時間后，性能有所下 降，選配時，增大主機能力。 圖6-16 圖6-17 圖6-18 圖6-15 3、主機減功率輸出（DMCR） 目的：降低油耗率，提高經濟性 圖6-19 四、無因次參數(shù)配合matching with dimensionless parameters 33 3 2 222 / / / / / / spRpe ppH ppH HH eHee sHss H vn

29、PPP nPPPP MnTTT nCnCnMMM ppp vvv nnn 功率 推力 扭矩 平均有效壓力 船速 轉速 6-4 船舶典型推進裝置 穩(wěn)態(tài)配合及工作特性 Matching and operation characteristic at stable state for topical propulsion plants 一、單機單槳 1、設計點附近的匹配特性 1 175.070.0185.080.0 00 11 1111 2 1 p pe sRp peHep pHp pppeHe pHp P np va Pppn PnMpp 系泊工況 輕載 重載 圖6-20 2、部分負荷工況：船體外

30、界和裝載負荷不 變，由于航行要求降低航速時的工況。 1 1 1 1 p e s P p n v 圖6-21 剩余功率(excess power )：部分負荷時。主 機所能發(fā)出的功率與螺旋槳所需功率之 差。 3849. 0577. 0577. 0 577. 00 )( 3 max 3 P n nd Pd nnPPP p p pp FA e EA e 令 P p n 0.577 0.3849 圖6-22 剩余功率 3、軸帶負荷工況Axial load 若軸帶負荷不超過3%的主機功率，不會對 主機容量的選配產生影響 圖6-23 二、多機并車推進裝置multi paralleled 圖6-24 圖6-

31、25 不同裝置耗油率隨功率的變化 優(yōu)點： 1）經濟性好：剩余功率小，耗油率低 2）主機維修方便 3）機動性好 4）操作性好 三、多機多槳推進裝置 Multi engines with multi propellers 一槳工作時，兩只槳為拖 航，雙槳工作時，一只槳 為拖航，使實際槳特性變 為圖中虛線位置。 優(yōu)點： 1）剩余功率小，經濟性好 2）機動性好 圖6-26 四、調距槳推進裝置CPP H/D: Ratio of pitch to diameter 圖6-27 圖6-28 圖6-29 1）在任何航行工況下主機均能發(fā)出額定功率 圖6-30 2）在部分負荷下可獲得轉速ne及H/D的最 佳匹配經

32、濟性最好的ne和H/D匹配為gemin對 應的轉速ne和pmax對應的H/D的匹配 圖6-31 3)主機轉速不變，則改變H/D可獲得不同的 航速，可以使船舶微速航行或倒航 圖6-32 圖6-33 第八章 柴油機動力裝置經濟性 Economy of Diesel Propulsion Plant 8-1 概述 一、定義 動力裝置經濟性指船舶動力裝置在正常運轉狀 態(tài)下，年運量與營運開支之比。 營運開支：動力裝置折舊費(Depreciation )，燃 油、滑油費用，工資、維修費等 二、柴油機動力裝置的熱平衡及效率 1、熱線圖(Thermal diagram )：反映動力裝置主 要機械設備能量產生及

33、分配圖 圖8-1 最簡單的熱線圖 2、熱平衡heat balance 輸入動力裝置能量=機械功當量+電功當量電+蒸 汽熱當量+排氣熱量+冷卻熱量+其它 3、熱效率heat efficiency ME AB ME AE AD ADrpcmi ME AB ME AE rpcmie H pAB H pAE H pME H p rpcmi H pMET H p T e B B B B B B B B QBQBQBBQ QBP BQ P 1 1 1 1 3600 3600 附加效率 4、提高動力裝置有效熱效率的方法 Method to increase the efficiency of the pow

34、er plant 1）提高主機熱效率increase the efficiency of main engine 2）提高推進效率increase the propulsion efficiency 3）選用高效率的輔助機械幾采用廢熱回收提高附加效 率 increase the additional efficiency 4）改變船舶的操縱different operation modes。實行經濟 航行。經濟航速并非船舶最大盈利航速。 圖8-2 8-2 提高裝置推進效率 The way to increase the propulsion efficiency 推進系數(shù)Ct=cprs 其中影

35、響最大的是p 提高推進效率的措施 1）采用大直徑螺旋槳 2）采用導管螺旋槳Ducted propeller 3）采用先進的船形設計，提高船身效率 hull efficiency 4）合理的船、機、槳匹配 一、采用低速大直徑螺旋槳 理想螺旋槳效率 推力載荷系數(shù) Thrust load coefficient D，A，T，vs不變時，Tp1 2 1 2 1 11 2 S T T p Av T 二、合理的船機槳匹配 許多柴油機有減功率輸出，可以降低油耗 率，提高積極性。 步驟： 1）由船舶初步設計確定的Dp，np及H/D的 主機常用功率CSRMCR（CSR/0.9） 2）繪制等船速功率曲線圖 功率減額系數(shù)與船型有關 )( 0 0 e e ee n n PP 圖8-3 3）繪制待選主機的減額功率輸出區(qū) 4）確定DMCR 原則：a）np,p,經濟性好，但受Dmax限制 b) np ,ne ,ge，主機經濟性提高 c）最終以每日耗油總