第五章船機槳工況配合特性

CompanyLogo1、基本概念一、船、機、槳三者的能量關(guān)系

船舶主機、螺旋槳和船體三者是一個能量的平衡系統(tǒng)。主機是能量的發(fā)生器，螺旋槳為能量的轉(zhuǎn)換器，后者將主機發(fā)出的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為推進能使船體運動。船體為能量的需求者，螺旋槳的推進能用于克服船體的運動阻力。CompanyLogo二、特性、配合與工況1、特性船、機、槳三者的合理配合，可使能量得到最佳的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，即船、機、槳系統(tǒng)的相互平衡。這種平衡表現(xiàn)在兩個方面：運動的平衡關(guān)系和動力的平衡關(guān)系。這些關(guān)系由它們?nèi)吒髯缘奶匦运鶝Q定。CompanyLogo2、特性曲線所謂特性曲線，就是把船、機、槳三者隨轉(zhuǎn)速變化的一些技術(shù)、經(jīng)濟參數(shù)，分別或集中地用圖表示出來，以了解它們的變化特點、配合關(guān)系和工作范圍等。3、配合點在某一工作條件下，船、機、槳三者的轉(zhuǎn)速與能量均相等的點稱為“配合點”，也稱“平衡點”。CompanyLogo4、推進裝置的工況推進裝置的工況，是指船、機槳三者配合工作時的運轉(zhuǎn)狀況，包括：以轉(zhuǎn)速n為變量的工況以負荷Pe(或軸的扭矩Mp)為變量的工況以n（或Vs與Ve或Mp）并同時均為變量的工況CompanyLogo5、變工況由于船、機、槳的工作條件總是在不斷變化，因此，船舶在實際運行中常常偏離設(shè)計平衡點，我們將那些偏離設(shè)計負荷平衡點的工況統(tǒng)稱為變工況。變工況是經(jīng)常發(fā)生的，例如：船舶航行條件的變化操縱方式的變化船、機、槳自身性能的變化CompanyLogo2、船、機、漿的基本特性一、船舶柴油機的基本特性柴油機在運轉(zhuǎn)過程中變化的主要參數(shù)為轉(zhuǎn)速和有效功率(或平均有效壓力、或轉(zhuǎn)矩)。1、柴油機的翰出功率及轉(zhuǎn)矩柴油機的功率：柴油機的轉(zhuǎn)矩：CompanyLogo2、柴油機的特性當(dāng)柴油機工況發(fā)生變化時，柴油機的性能及主要參數(shù)隨工況改變相應(yīng)變化。

所謂柴油機的特性，就是指柴油機的性能指標(biāo)及主要參數(shù)與運轉(zhuǎn)情況之間的變化關(guān)系，主要有：速度特性、負荷特性、調(diào)速特性、萬有特性及減額功率輸出特性、限制特性、推進特性等。CompanyLogo

（一）速度特性(外特性)

柴油機運轉(zhuǎn)中，只改變轉(zhuǎn)變n，而Pe保持不變，這種運轉(zhuǎn)特性稱為速度特性或外特性。

它表達柴油機的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速或航速的變化關(guān)系，通常用以表示主機的工作性質(zhì)。CompanyLogo根據(jù)油泵齒條固定的位置不同，外特性分為以下幾種：1h功率特性12h功率特性標(biāo)定外特性部分外特性（二）調(diào)速特性在調(diào)速器作用下柴油機的功率、轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系叫做柴油機的調(diào)速特性。CompanyLogo（三）負荷特性負荷特性是指在某一固定不變的轉(zhuǎn)速下，柴油機的性能參數(shù)隨負荷戶Pe變化的規(guī)律。負荷特性的實際意義：確定非增壓柴油機的標(biāo)定工況使負荷特性易測定，常在柴油機調(diào)試、改變設(shè)計時用作檢驗調(diào)試效果，所以又稱之為調(diào)整特性作為帶發(fā)電機工作的特性測出不同轉(zhuǎn)速的負荷特性，用于制取萬有特性等，負荷特性可與速度特性綜合出其它任何一種實用工況的特性CompanyLogo（四）萬有特性在柴油機的運轉(zhuǎn)范圍中，在同一轉(zhuǎn)速下用幾個不同的噴油量作試驗，并將有關(guān)結(jié)果記錄下來；再分別固定各檔轉(zhuǎn)速，供人不同噴油量；進行行試驗將結(jié)果按P、n、ge、QD等參數(shù)整理繪制成圖，即得萬有特性曲線，如圖所示CompanyLogo（五）柴油機的推進特性當(dāng)柴油機作為船舶主機帶螺旋槳，按螺旋槳特性（P=cn3）工作時，為柴油機的推進特性。推進特性的實際意義：根據(jù)柴油機的工作能力合理地設(shè)計、選用螺旋槳確定使用中功率與轉(zhuǎn)速的配合點確定推(拖)船舶在各種工況下的負荷用以確定船舶的經(jīng)濟航速CompanyLogo（六）柴油機減額功率輸出特性降低柴油機的耗油率的方法之一就是提高氣缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力Pmax與平均有效壓力pe的比值。Pmax是柴油機結(jié)構(gòu)強度的設(shè)計依據(jù)，在設(shè)計時已確定，而柴油機的功率是否Pe和轉(zhuǎn)速n的乘積成正比，一般把最大待續(xù)功率點(MCR)時的pe值降低，作為新的標(biāo)定點，而此時的Pmax仍維持與MCR相對應(yīng)的值不變，這樣就提高了Pmax與Pe的比值，實現(xiàn)了比MCR低的燃油耗率。CompanyLogo二、船舶航行阻力特性船舶在航行時，受到空氣和水這兩種介質(zhì)的阻力。一般民用船舶的阻力，以摩擦阻力為主。水對船體的總阻力與航行速度的m次方成正比即：若航速為Vs時，其船體總阻力為R，則直接用于克服船體阻力所需的功率PE為CompanyLogo三、船舶螺旋槳推進特性船舶螺旋槳推進特性主要反映螺旋槳的推力T和扭矩Q、推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ，以及槳的敞水效率等隨船速和進速系數(shù)J的變化關(guān)系。式中：CompanyLogo

如右圖所示KT、KQ及其隨J變化規(guī)律和關(guān)系。在給定船舶中，其槳徑為定值，J僅隨Va/n而變化，當(dāng)Va/n為常數(shù)時，KT、KQ為定值，故槳的有效推力Te和轉(zhuǎn)矩Q與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即CompanyLogo

螺旋槳所需的功率可寫成：

式中的Q用上頁公式代入可知Pp與轉(zhuǎn)速的立方成正比左圖示出了在不同進速J時，T（Q）和Pn與n之間的函數(shù)關(guān)系，可知：當(dāng)n一定時，隨J的減小，T（Q）和Pp均要相應(yīng)增大：J保持不變時，T與Q兩參數(shù)均隨n的平方成比例關(guān)系。CompanyLogo四、航速與轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系在船的阻力特性是用其隨航速的變化關(guān)系來表示的，螺旋槳及主機的特性則是用其主要技術(shù)參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系來表示的。因此，必須了解航速與轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系，建立兩者能夠相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系式。船舶在穩(wěn)定工況航行時，螺旋槳產(chǎn)生的有效推力和船舶阻力R是相等的，即：CompanyLogo故由和可得對于已設(shè)計建造的船舶，其線性與尺度是已定的，當(dāng)船舶的航行狀態(tài)也保持一定時，上式的系數(shù)AR、CT可看成常數(shù)。

令，則n=KVs，即為航速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。CompanyLogo3、船、機、漿的能量轉(zhuǎn)換與配合性質(zhì)一、推進裝置機械能的傳遞過程船舶主機的功率在傳遞至螺旋槳的過程中，有一系列損失THP(推力功率)DHP（收到功率）SHP（軸功率）BHP持續(xù)功率

IHP指示功率CompanyLogo二、推進裝置功率轉(zhuǎn)換計算指示功率持續(xù)功率CompanyLogo軸功率螺旋槳收到功率CompanyLogo推力功率船體有效功率CompanyLogo三、機、槳的配合性質(zhì)1、工作區(qū)域的劃分

螺旋槳的設(shè)計負荷點，或主機的最大持續(xù)輸出點，均要求兩者能在所允許運行的工作區(qū)域選取一個機、槳合理配合的設(shè)計工況點。

不同的機型其工作區(qū)域劃分范圍是有差別的。

CompanyLogo2、螺旋槳設(shè)計負荷點的確定

螺旋槳的設(shè)計負點是指機、槳額定工況的配合點，它與設(shè)計時所選定的機、槳特性曲線有關(guān)，將它們的性能曲線示于同一個功率-轉(zhuǎn)速特性圖上，其交點即為配合點。理論上，此點是通過100%Pmc、100%Pe和100%nn的MCR點；但在實船營運過程中，這個配合點往往會發(fā)生變化。CompanyLogo3、儲備的主要方法功率儲備法轉(zhuǎn)速儲備法阻力儲備法

除這三種方法外，有將阻力增加某一百分比，又對在100%轉(zhuǎn)速時的主機打一定折扣來設(shè)計螺旋槳；也有在設(shè)計時先不考慮儲備，待算出螺旋槳參數(shù)后憑經(jīng)驗適當(dāng)加以修正。CompanyLogo4、典型推進裝置的特性與配合一、單機單槳直接傳動1、基本原理

忽略傳動機組及軸系的傳動損失，柴油機所發(fā)出的功率PD須等于螺旋槳所吸收的功率PP。柴油機的特性PD=cn和螺旋槳的推進特性曲線Pp=Cpn3變化規(guī)律不同，在某一穩(wěn)定工況條件下，兩者的配合只能在一點相交。CompanyLogo2、單機直接帶槳的特點

它是由一臺柴油機，通過油系直接帶動螺旋槳的推進裝置。其特點是Pmc=Pp；MD=MP；nD=nP這種主機與槳直接連接的裝置，只要通過改變油門，主機的平均有效壓力Pe就會變化，并使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，使二者獲得新的配合。CompanyLogo3、配合特性（一）機配槳工作的配合假定船舶在按其所要求的航速正常航行，其機槳配合點在某處，在外界條件不變的情況下，若要求船速大于正常航速，只要加大油門，使主機的Pe增加，主機和螺旋槳的轉(zhuǎn)速就會增加，配合點也會移動至相應(yīng)點，這樣船速就快了。反之，也可實現(xiàn)減速航行。CompanyLogo（二）槳配機工作的配合

柴油機直接帶槳，無論槳重或槳輕，其功率均會降低，故這種柴油機直接帶槳的推進裝置，適合于工況改變較少的船舶。CompanyLogo二、減速齒輪箱傳動1、特點柴油機的功率是通過減速齒輪箱后傳送給螺旋槳的。如忽略功率在傳遞中的各種損失，則：2、特性具有節(jié)能效果CompanyLogo三、雙機并車1、特點由兩臺主機各自通過離合器后共同經(jīng)過減速齒輪箱帶動一個螺旋槳，即：CompanyLogo2、特性如右圖所示，B點為一臺機開全功率時與螺旋槳推進曲線的配合點。在B點以下由于螺旋槳所吸收的功率本來就很小，如果仍開兩臺，就會造成耗油率的增加；如果只開一臺，功率就得到較充分利用，耗油率也相應(yīng)變低。CompanyLogo四、一機分車傳動1、裝置特點單機功率是通過齒形帶輪經(jīng)離合器減速齒輪箱驅(qū)動雙槳的。2、特性其實際推進曲線將變陡，主機的負荷也偏離額定負荷較遠，一般耗油率也高，故非必要情況，一般航行均不使用。CompanyLogo五、多機多槳傳動1、裝置簡圖運輸船舶采用的多機多槳裝置中，多數(shù)為雙機雙槳推進裝置，如下圖所示：CompanyLogo2、特性操縱性較好生命力較強所采用的單機功率較小，這在機艙尺寸受限制時是有意義的，它有利于采用中、高速柴油機實行減速傳動適應(yīng)性較強CompanyLogo5、船、機、槳在變工況時的配合一、系泊工況

船舶在建成或大修下水后，或是在試航以前，都要作系岸試驗，以檢驗裝置的設(shè)汁、安裝和調(diào)試工作是否符合要求。機、槳在船舶系岸(不運動)的情況下運轉(zhuǎn)的工況，稱為系泊工況。

CompanyLogo右圖中，曲線1為螺旋槳設(shè)計狀態(tài)的推進特性曲線；曲線2是系泊時槳的推進特性曲線，OA為主機標(biāo)定外特線；A為標(biāo)定設(shè)計工況的機、槳配合點；B為系泊工況的配合點。CompanyLogo

可見，在系泊工況時，配合點B處的功率PB比額定值Pmc小得多，其轉(zhuǎn)速也比標(biāo)定值低，通常nB=（0.80---0.85)nn，并且發(fā)生在OA左側(cè)的短時工作區(qū)域，故在做系泊試驗時，必須充分顧及這一點，不能把主機轉(zhuǎn)速開到標(biāo)定值，否則主機將發(fā)生超負荷運行，并可導(dǎo)致某些機務(wù)事故CompanyLogo二、過渡工況過渡工況主要反映船舶在起航、加速、轉(zhuǎn)彎、制動與倒車等變化過程的動態(tài)特性。機、槳在這些工況下工作和配合，條件往往比較惡劣，容易發(fā)生超負荷現(xiàn)象，駕駛和輪機人員操作時必須特別注意。CompanyLogo1、起航和加速工況船在起航之初，猶如系泊工況，槳的推進曲線較陡，油門不宜開得過大。起航和航行中的加速過程，螺旋槳所發(fā)出的有效推力，除用來克服船舶在該航速下的阻力外，還有一部分須用在船舶加速時克服自身的慣性力，即:由上述可知，船舶加速航行時比等速航行時，主機要供給更大的功率。CompanyLogo2、倒航（反轉(zhuǎn)）工況

船舶在進出繁忙的港口、狹小復(fù)雜的航道或在氣候惡劣的情況下骯行時，要進行頻繁的倒車操縱，以防兩船相撞、觸礁等事故，船舶離、靠碼頭，更要頻繁倒車。CompanyLogo3、雙槳推進裝置的轉(zhuǎn)彎工況（一）雙槳船轉(zhuǎn)彎過程船舶的轉(zhuǎn)彎是靠舵來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)彎時，特別是急轉(zhuǎn)彎、主機的負荷將增加，尤其是內(nèi)機(船舶轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的主機)將劇烈增加。船舶在轉(zhuǎn)彎時船速及螺旋槳處水流的大小和方向均在不斷變化，兩只螺旋槳的負荷也是在不斷變化的CompanyLogo（二）轉(zhuǎn)彎時槳的負荷變化

船舶轉(zhuǎn)彎時，螺旋槳處于斜水流中，也增加了槳的阻力矩。內(nèi)槳與外槳相比，流