調(diào)距槳裝置的特性分析

調(diào)距槳裝置的特性分析

一、可調(diào)dg調(diào)距漿自80多年前的第一個折疊槳（cpp）在加拿大出版以來，它以其獨(dú)特的優(yōu)勢吸引了人們的關(guān)注。工程技術(shù)人員不斷付出的努力,使其充分發(fā)揮自身優(yōu)點(diǎn),并在今天的航運(yùn)市場上得到了廣泛應(yīng)用?？烧{(diào)螺旋槳即是槳葉螺旋面與槳轂可作相對轉(zhuǎn)動的一種螺旋槳。它借助一套轉(zhuǎn)葉機(jī)轉(zhuǎn)動槳葉以達(dá)到改變螺旋槳螺距H的目的。槳葉每轉(zhuǎn)動到一個位置,都有一個對應(yīng)的螺距H。對于槳徑D一定的螺旋槳,則等于換了一個新的螺距比H/D,其性能也就發(fā)生了變化,以適應(yīng)各種航行狀態(tài)對螺旋槳工況的不同要求。調(diào)距漿與普通定距漿相比,其優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)船舶航行工況而隨時調(diào)整螺距,達(dá)到降低油耗,延長主機(jī)壽命等目的。因此對可調(diào)螺距螺旋槳的特性進(jìn)行分析是十分必要的。二、反饋裝置c點(diǎn)一般調(diào)距槳裝置包括調(diào)距槳、傳動軸、調(diào)距機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)五個基本部分。調(diào)距槳裝置的動作原理可用圖1說明。駕駛?cè)藛T發(fā)出的指令信號通過信號傳遞系統(tǒng)傳到操縱桿6,桿ABC則以C點(diǎn)為支點(diǎn)動作,將控制閥4移動使其離開中央位置。此時具有一定壓力的油經(jīng)控制閥4進(jìn)入配油軸套3,由槳軸中的油道進(jìn)入伺服油缸1的相應(yīng)工作空間,推動動力活塞2。動力活塞移動調(diào)距桿(動力活塞桿),繼而通過轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)將槳葉轉(zhuǎn)動,使螺距發(fā)生變化。動力活塞的移動同時還帶動反饋裝置5,移動桿ABC的C點(diǎn)此時A點(diǎn)不動,于是反饋信號傳到控制閥4。反饋信號和駕駛臺指令信號進(jìn)行比較,若兩個信號相等,則說明螺距已調(diào)到駕駛?cè)藛T所要求的值,控制閥就回到原來平衡位置,切斷壓力油和回油。若反饋信號和指令信號不相等,則繼續(xù)上面的調(diào)距動作,直至符合要求為止。三、比較和分析可變距離橢圓和可變距離橢圓的特性1.影響螺母特性的因素影響螺旋槳特性的因素是多方面的,但可概括為以下兩個主要方面。(1)d和螺距不同尺寸時的功率特性槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有直徑D和螺距比H/D。直徑D對螺旋槳產(chǎn)生的推力和吸收的扭矩影響很大,分別為四次方和五次方的關(guān)系。所需要的功率也是五次方的關(guān)系。對于同一直徑的螺旋槳,其螺距比越大,即H/D越大,它所需要的功率也越多。如圖2所示為不同H/D時的螺旋槳功率特性,H/D越大,曲線就越陡,其中Pp(kw)為功率n(r/min)為轉(zhuǎn)速。對于一定功率的主機(jī)必須選配合適的螺旋槳。如果直徑D或螺距比H/D過大,螺旋槳會過重,主機(jī)帶不動,它在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時,就會造成超負(fù)荷。如果D或H/D選的過小,螺旋槳就會過輕,主機(jī)就不能充分發(fā)揮它的做功能力。(2)操縱過程變化的風(fēng)險船舶航行工況的變化,即包括航行的自然條件變化,如風(fēng)浪大小,水深的變化等,也包括各種機(jī)動操縱時的過渡過程,如船舶的加速,減速和倒航等。當(dāng)航行工況改變時,船舶航速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速之間關(guān)系要發(fā)生變化,即進(jìn)程比的數(shù)值要變化。由于推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨進(jìn)程比而變化,因此,螺旋槳的推力矩和阻力矩也發(fā)生變化,所需的功率也發(fā)生變化。2.螺旋特性分析根據(jù)螺旋槳理論,螺旋槳的推力Fp(n)和轉(zhuǎn)矩Mp(n.m)與轉(zhuǎn)速平方成正比;螺旋槳吸收的功率PP與其轉(zhuǎn)速立方成正比。如圖3,即Fp=c1n2;Mp=c2n2;PP=c3n3;其中n(r/min)為轉(zhuǎn)速。上述三式即為螺旋槳特性。式中c1,c2,c3,為系數(shù),取決于航行工況,當(dāng)船舶在不變的航行工況下穩(wěn)定航行時,均為常數(shù)。3.外來轉(zhuǎn)速不同調(diào)距槳推進(jìn),其工作原理與定距槳類似,但因為調(diào)距槳的螺距可以在運(yùn)行中任意調(diào)節(jié),所以在外界阻力不變的條件下減小了船舶碰撞的可能性,增加了船舶營運(yùn)的安全性。推力和扭矩不僅隨轉(zhuǎn)速而變,還隨螺距比(H/D)的改變而變化。調(diào)距槳具有如下3個基本特性:(1)船舶在任何工況下均能吸收主機(jī)的全功率,只要外界條件不變,配合一定的螺距比H/D,即能使主機(jī)始終運(yùn)轉(zhuǎn)在額定功率下。采用定距槳推進(jìn),當(dāng)船舶處于重載或輕載時,不是受主機(jī)最大扭距的限制,就是受主機(jī)轉(zhuǎn)速的限制,主機(jī)均降低功率使用。而調(diào)距槳推進(jìn),則可根據(jù)船舶航行工況而調(diào)整螺距,重載時把槳的螺距減小,輕載時,增大螺距,使主機(jī)達(dá)到不變的扭距和不變的轉(zhuǎn)速,這意味著主機(jī)始終在額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣,對具有兩種或多種主要航行工況的船舶裝上調(diào)距槳后就能給出較大的推力和較高的航速。(2)用不同的轉(zhuǎn)速和螺距比相配合,可得到所需的推力,進(jìn)而可得到所需的船舶航速。主機(jī)為柴油機(jī)時,調(diào)距槳能在柴油機(jī)上限曲線、最大轉(zhuǎn)速線和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍的區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)上工作?？梢?其工作范圍很大,在該區(qū)域內(nèi)任意搭配轉(zhuǎn)速和螺距比都能得到給定的航速。(3)螺旋槳轉(zhuǎn)速不變,改變螺距進(jìn)而改變推力和扭矩,可使船舶具有不同的航速。當(dāng)槳葉放在零螺距位置時,調(diào)距槳推力為零,主機(jī)仍以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),而船舶在原地不動;槳葉轉(zhuǎn)到負(fù)螺距位置時,可使主機(jī)轉(zhuǎn)向不變而實(shí)現(xiàn)倒航。4.槳葉機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)調(diào)距槳的特性,它與定距槳相比,有以下優(yōu)點(diǎn):(1)部分負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性好。(2)能適應(yīng)船舶阻力的變化,充分利用主機(jī)功率。(3)提高了船舶的機(jī)動性和操縱性。(4)有利于推進(jìn)裝置驅(qū)動輔助負(fù)載。(5)延長了主機(jī)壽命。(6)便于實(shí)現(xiàn)遙控。有以下缺點(diǎn)(1)采用可調(diào)螺距螺旋槳的船舶軸系以及螺旋槳本構(gòu)造復(fù)雜,故成本較定距槳高。(2)其槳轂中轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)零部件較多且精密,可靠性不如定距槳。(3)在相同條件下,調(diào)距槳由于轂部結(jié)構(gòu)較定距槳復(fù)雜,使得其轂徑比(d/D)較大。(4)調(diào)距槳葉根較厚,容易產(chǎn)生空泡,造成螺旋槳的穴蝕。5.調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的效益本文以某運(yùn)輸船隊?wèi)?yīng)用調(diào)距槳和定距槳的運(yùn)行情況對比來說明大型運(yùn)輸船隊采用調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)可獲得更佳的操縱性,對船隊的航行安全大有提高,且可獲得較佳的推進(jìn)效果和經(jīng)濟(jì)效益。以下作比較的兩條船一艘是采用調(diào)距槳的新型船,另一艘是與其技術(shù)數(shù)據(jù)相似的參考船。(1)調(diào)距槳船載荷下降由表數(shù)據(jù)可看出,在滿載狀態(tài)下,由于調(diào)距槳的轂徑較大,效率有所損失,而定距槳則在最佳狀態(tài),調(diào)距槳船航速下降0.05km/h,下降率0.64%。在空載狀態(tài)下,因定距槳處于輕載狀態(tài),使主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下槳葉不能完全吸收主機(jī)的功率,而調(diào)距槳的優(yōu)勢在此時就可以得到充分發(fā)揮。在此狀態(tài)下,調(diào)距槳船航速比定距槳船高0.55km/h,提高率3.06%,從而可達(dá)到節(jié)能的目的。(2)正車三帶從上表中可以看出,調(diào)距槳船與定距槳船比較,在滿載正航時的正車舵力降低1.4%,空載正舵時正車舵力提高3%。從表中可以看出,調(diào)距槳船與定距槳比較,滿載倒航時,倒車舵力提高7%,空載倒航時,倒車舵力提高16%。由此可見,隨著新技術(shù)的引入,原油運(yùn)輸船隊的操縱性能總的來說得到了提高,同時也跳高了船隊在復(fù)雜航道航行、過船閘、橋孔的能力,確保原油運(yùn)輸船隊的航行安全。(3)調(diào)距槳技術(shù)的應(yīng)用效果在油耗的分析計算中,分三種情況來分析比較。同時實(shí)例分析對比說明,應(yīng)用調(diào)距槳技術(shù)在多種工況下提高了船舶的機(jī)動能力和操縱性,發(fā)揮了主機(jī)的全功率,提高了推進(jìn)效率,節(jié)省了燃料,達(dá)到了節(jié)能效果,提高了船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。四、調(diào)距槳的未來調(diào)距槳比定距槳只能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制船速顯得靈活得多,由于調(diào)距槳在各種航行工況下,能通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和螺距比,提高了螺旋槳的平均效率,并且使船舶具有良好的機(jī)動性,提高了船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。隨著中速大功率柴油機(jī)的不斷發(fā)展和完善,燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合動力裝置以及船舶進(jìn)一步向遙控和機(jī)艙高度自動化方向發(fā)展,船舶采用調(diào)距槳作為推進(jìn)裝置是值得我們關(guān)注的一個選擇;而且