船舶動力裝置2

第七章船舶推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動及其控制

Torsionalvibrationanditscontrolforshipshafting

§7-1概述GeneralIntroduction軸系振動有：扭轉(zhuǎn)振動(Torsionalvibration)、回轉(zhuǎn)振動(Rotaryvibration)（橫振-Transversevibration）、縱向振動(longitudinalvibration)。其中以扭轉(zhuǎn)振動為主，當(dāng)周期性的交變力矩作用的頻率與自振頻率相同時，將產(chǎn)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書(Torsionalvibrationcalculation)。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(zhuǎn)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(Disturbancemoment)當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動所產(chǎn)生的應(yīng)力超過許用值時，會對軸系產(chǎn)生極大的破壞作用。二、船舶規(guī)范(shipspecifiction)三、扭轉(zhuǎn)振動的基本概念1、扭擺有阻尼的強迫振動圖示的單質(zhì)量系統(tǒng)，軸只計柔度(flexibility)，不計慣量(momentofinertia)，圓盤只計慣量，忽略彈性。穩(wěn)態(tài)時S+U+R+T=0慣性力矩momentofinertia彈性力矩momentofelasticity阻尼力矩momentofdamp干擾力矩

為自由振動時的解(solution),equationofmotion無阻尼時，即n=0

放大系數(shù)(amplificationcoefficient)討論：

小結(jié)：1）系統(tǒng)自振頻率(naturalvibrationfrequency)僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)2）強迫振動(forcedvibration)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(chǎn)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(zhì)量系統(tǒng)(twomasssystem)的扭轉(zhuǎn)振動兩質(zhì)量均作簡諧振動(Harmonicvibration)，頻率相同，初相位(initialphase)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(yuǎn)相反。振型圖VibrationchartA1A2e12A1A2A3A3e12e23A1A2O單結(jié)雙結(jié)單結(jié)取A1=1，A2=-I1/I2，O為結(jié)點(node)，振幅為0，應(yīng)力最大，雙質(zhì)量只有一個結(jié)點。三質(zhì)量系統(tǒng)有兩個自振頻率，單結(jié)或雙結(jié)，即兩個結(jié)點。n個質(zhì)量就有n-1個振型，n-1個自振頻率。§7-2推進(jìn)軸系扭振計算

TorsionalvibrationcalculationforPropulsionshafting一、推進(jìn)軸系的?；?modelling)?；瓌trules：1）以每一曲柄回轉(zhuǎn)平面中心線為單缸運動質(zhì)量的集中點2）發(fā)動機輸出端之后，以具有較大轉(zhuǎn)動慣量部件的中心線作為質(zhì)量的集中點3）對于軸系的轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)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(zhì)量上4）齒輪傳動時，把主、從動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量按傳動比合并成一質(zhì)量，落點在主動齒輪中心線上5）兩相鄰集中質(zhì)量之間的連接軸，按柔度作為該兩質(zhì)量中心的當(dāng)量軸段長6）軸系中有彈性聯(lián)軸器或氣胎離合器時，應(yīng)把它們的主、從動部分分為兩集中質(zhì)量7）軸系中有液力偶合器時為界，分成兩個獨立的扭振系統(tǒng)8）被發(fā)動機拖動的機械，轉(zhuǎn)動慣量大的也要作一集中質(zhì)量二、多質(zhì)量系統(tǒng)無阻尼簡諧振動計算Multi-masssystem應(yīng)力標(biāo)尺Stressscale實際應(yīng)力RealStress為減少累計誤差cumulativeerror，通常采用無因次參數(shù)(dimensionlessparameters)計算。名稱轉(zhuǎn)動慣量momentofinertia柔度flexiciblity振幅amplitude頻率frequency彈性力矩momentofelasticity有因次IKeK,K+1AKn2Uk,,k+1=(AK+1-AK)/eK,K+1無因次K=IK/ISEK,K+1=eK,K+1/eSK=AK/AS=ISeSn2K,K+1=eSuK,K+1/AS經(jīng)過無因次變換以后，計算方程變?yōu)椋?=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、軸系扭振的強迫振動計算1、干擾力矩及其共振轉(zhuǎn)速柴油機動力裝置，氣體壓力是不均勻的，其所產(chǎn)生的扭矩也在變化，其它部件產(chǎn)生的力矩不均勻性與之相比可不計。n個質(zhì)量系統(tǒng)的運動狀態(tài)方程 Motionequationofstate用矩陣matrix可表示為：設(shè)多缸柴油機第K個缸輸出的扭矩為Mg（K）為簡諧系數(shù)(harmoniccoefficient)，對二沖程柴油機=1，2，3，……12,對四沖程柴油機=1/2，1，1.5，……10臨界轉(zhuǎn)速(criticalspeed)nc：共振工況下相應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速通常要指明幾結(jié)幾次。共振時：=n若此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為Nn，n=2Nn/60Nn=9.55n只要n=Nn，n就是臨界轉(zhuǎn)速ncn=nmin~nmax

2、干擾力矩所作的功1）單個干擾力矩所作的功2）多個干擾力矩所作的功假定各缸壓力相同M1=M2=M3=…..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干擾力矩基本矢量圖(vectorgraph)特征：1）矢量的個數(shù)等于氣缸數(shù)2）當(dāng)=qk是為主簡諧(keyharmonic)，相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為主臨界轉(zhuǎn)速，q為曲柄端面圖上曲柄數(shù)，k=1，2，3……3）>q矢量圖重復(fù)。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3、用能量法求解強迫振動振幅（A1）在進(jìn)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(yuǎn)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=m3）共振時，引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(yīng)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4、用放大系數(shù)法求解強迫振動振幅（A1）對單質(zhì)量系統(tǒng)m=A1/Ast在多質(zhì)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(chǎn)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(zhì)量（第一質(zhì)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elasticpotentialenergy第一質(zhì)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(jīng)驗，各部件的放大系數(shù)如212頁表6-7四、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§7-3推進(jìn)軸系振動的計算一、簡單回避法劃禁區(qū)（0.8~1.05）ne不能劃禁區(qū)二、調(diào)頻避振法1、改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量I通常是改變飛輪的重量，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量增加，系統(tǒng)自振頻率下降并使結(jié)點向飛輪靠攏，槳振幅加大，槳阻尼大，消耗功大。要考慮雙結(jié)頻率的改變。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(dāng)?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1234~789101112轉(zhuǎn)動慣量kgm25.981.081.042.9132.91351.4630.61.1153.944扭轉(zhuǎn)剛度NmX10-58.2392.2150112.78169.660.50.550.29求：1），并畫出相應(yīng)的振型圖2）臨界轉(zhuǎn)速及及其對應(yīng)的，并畫出矢量圖3）工作范圍內(nèi)是否存在主簡諧。第六章推進(jìn)裝置工況配合特性

CharacteristicMatchingofPropulsionPlantOperationCondition

§6-1概述

發(fā)動機：加入燃料，輸出扭矩傳動設(shè)備：輸入扭矩，輸出扭矩推進(jìn)器：輸入扭矩，輸出推力推進(jìn)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(jìn)裝置工作特性，即船漿機配合各種特性。圖6-1當(dāng)船舶等速直線航行時，發(fā)動機與螺旋槳之間參數(shù)關(guān)系：1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne和螺旋槳轉(zhuǎn)速np:ne/i=np2)發(fā)動機扭矩Me減去傳動設(shè)備損耗的扭矩MT，等于克服螺旋槳轉(zhuǎn)動的阻力矩:Me·i-MT=Mp3）發(fā)動機功率Pe與螺旋槳吸收功率Pp：Pe·c=Pp螺旋槳與船體之間：1)螺旋槳進(jìn)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)=R3）螺旋槳吸收功率Pp與克服船體阻力所需功率PRPp·prs=PT·

s=Pp·

t=PR§6-2船、槳、機的主要工作特性

OperationCharacteristicofShip,PropellerandMainEngine一、

柴油機的工作特性O(shè)perationCharacteristicofDieselEngine

Theexternalcharacteristicsofdieselengine圖6-2圖6-3圖6-4MCR：柴油機長期持續(xù)運轉(zhuǎn)的最大功率OperationRangeofDieselEngine圖6-5二、螺旋槳的推進(jìn)特性PropulsionCharacteristicsofPropeller1、螺旋槳的基本特性Basic

CharacteristicsofPropeller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(fēng)浪，阻力增加R

，p

KT,KM

T,MpMe2)p,如空載(idler)，輕載或順?biāo)?downstream)R

p

KT,KMT,Mp

Me3）p=0,p=0系泊工況(Mooringcondition)，KT,KM最大，T,Mp最大，為防止柴油機超負(fù)荷，要求ne75%nH，這時p=0。p的變化反映了螺旋槳負(fù)荷的變化，也就是船舶推進(jìn)裝置外界負(fù)荷的變化。2、螺旋槳推進(jìn)特性CharacteristicofPropeller1）穩(wěn)定工況時2）工況發(fā)生變化達(dá)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。圖6-73)槳參數(shù)D，H三、船體阻力特性CharacteristicofResistance形式：摩擦阻力、興波阻力、旋渦阻力Thefrictiondrag,wavedrag,vortexdrag船速低時，以摩擦阻力為主，船速高時，興波阻力為主圖6-8圖6-9§6-3推進(jìn)裝置在穩(wěn)態(tài)設(shè)計工況的匹配

Matchatthestabledesigncondition一、配合統(tǒng)一坐標(biāo)Unifiedcoordinate穩(wěn)態(tài)時，有效推力這樣，只要調(diào)整比例尺，就可以將p,np,ne重疊在一個坐標(biāo)圖中的橫坐標(biāo)，Pe,Pp,PR重疊在一個縱坐標(biāo)，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(zhuǎn)換，船槳機的配合就轉(zhuǎn)化為機槳配合問題。圖6-10圖6-11二、配合的基本原則BasicRulesofMatching1、配合前的處理原則：1）帶傳動齒輪箱withgearbox將扭矩乘以傳動比Transmissionratio，轉(zhuǎn)速除以傳動比，再與槳配合2）軸帶負(fù)荷Axialload：先將負(fù)荷疊加成單一負(fù)荷3）多機并車multi-paralleled：動力疊加成單一動力特性2、設(shè)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Notesformatching1、主機功率使用范圍圖6-142、主機功率儲備powerreservationofmarineengine1）海況儲備(seacondition)：功率儲備10—15%，轉(zhuǎn)速儲備3.5—5%圖6-152）主機能力儲備(mainenginecontidion)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6-153、主機減功率輸出（DMCR）

目的：降低油耗率，提高經(jīng)濟(jì)性圖6-19四、無因次參數(shù)配合matchingwithdimensionlessparameters

§6-4船舶典型推進(jìn)裝置

穩(wěn)態(tài)配合及工作特性

Matchingandoperationcharacteristicatstablestatefortopicalpropulsionplants一、單機單槳1、設(shè)計點附近的匹配特性圖6-202、部分負(fù)荷工況：船體外界和裝載負(fù)荷不變，由于航行要求降低航速時的工況。圖6-21剩余功率(excesspower)：部分負(fù)荷時。主機所能發(fā)出的功率與螺旋槳所需功率之差。0.5770.3849圖6-22剩余功率3、軸帶負(fù)荷工況Axialload若軸帶負(fù)荷不超過3%的主機功率，不會對主機容量的選配產(chǎn)生影響圖6-23二、多機并車推進(jìn)裝置multiparalleled圖6-24圖6-25不同裝置耗油率隨功率的變化

優(yōu)點：1）經(jīng)濟(jì)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(jìn)裝置Multiengineswithmultipropellers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?yōu)閳D中虛線位置。優(yōu)點：1）剩余功率小，經(jīng)濟(jì)性好2）機動性好圖6-26四、調(diào)距槳推進(jìn)裝置CPPH/D:Ratioofpitchtodiameter圖6-27圖6-28圖6-291）在任何航行工況下主機均能發(fā)出額定功率圖6-302）在部分負(fù)荷下可獲得轉(zhuǎn)速ne及H/D的最佳匹配經(jīng)濟(jì)性最好的ne和H/D匹配為gemin對應(yīng)的轉(zhuǎn)速ne和pmax對應(yīng)的H/D的匹配圖6-313)主機轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)性

EconomyofDieselPropulsionPlant

§8-1概述一、定義動力裝置經(jīng)濟(jì)性指船舶動力裝置在正常運轉(zhuǎn)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(Thermaldiagram)：反映動力裝置主要機械設(shè)備能量產(chǎn)生及分配圖圖8-1最簡單的熱線圖2、熱平衡heatbalance輸入動力裝置能量=機械功當(dāng)量+電功當(dāng)量電+蒸汽熱當(dāng)量+排氣熱量+冷卻熱量+其它3、熱效率heatefficiency4、提高動力裝置有效熱效率的方法Methodtoincreasetheefficiencyofthepowerplant1）提高主機熱效率increasetheefficiencyofmainengine2）提高推進(jìn)效率increasethepropulsionefficiency3）選用高效率的輔助機械幾采用廢熱回收提高附加效率increasetheadditionalefficiency4）改變船舶的操縱differentoperationmodes。實行經(jīng)濟(jì)航行。經(jīng)濟(jì)航速并非船舶最大盈利航速。圖8-2§8-2提高裝置推進(jìn)效率

Thewaytoincreasethepropulsionefficiency推進(jìn)系數(shù)Ct=cprs其中影響最大的是p提高推進(jìn)效率的措施1）采用大直徑螺旋槳2）采用導(dǎo)管螺旋槳Ductedpropeller3）采用先進(jìn)的船形設(shè)計，提高船身效率hullefficiency4）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)ThrustloadcoefficientD，A，T，vs不變時，Tp1二、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(shè)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(guān)圖8-33）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(jīng)濟(jì)性好，但受Dmax限制b)np,ne,ge，主機經(jīng)濟(jì)性提高c）最終以每日耗油