第四章 船舶推进装置

推进装置工作时，主机发出的机械能，由传动轴系传送 给螺旋桨，螺旋桨把机械能转换为水动力能，克服船体 的运动阻力，保证船舶航行正常。
第一节 船、机、桨的基本特性
柴油机的工作特性
• 输出功率
ND Pe Vs n i Bn Pe n 4 0.225 1.36 9.8 10
负荷特性

主要技术性能指标
功率 N e 、耗油率 g e 、机械效率 m 等

实际意义
－确定非增压柴油机的标定工况 －常在柴油机调试、改变设计时用作检验调试效果， 称为调整特性 －作为带发电机工作的特性 －测出不同转速的负荷特性，用于制取万有特性等
万有特性
万有特性

万有特性曲线
-- 同一转速下用几个不同的喷油量作试验 -- 再分别固定各档转速，供入不同喷油量进行试验 -- 转速 n 、功率 N e 、耗油率 g e 和输出转矩 QD 四个参数之间的关系。
N Qn / 572940
螺旋桨的推进特性

螺旋桨推进特性主要反映螺旋桨的推力T、转矩Q、 推力系数 KT 、转矩系数 K Q 以及桨的敞水系数等随 船速和进速系数的关系
J V / nD
K Q Q / D 5 n 2
KT T / D 4 n 2
TVa K T J p Q K Q 2
设计航行工况下的配合特性
设计进速系数不变，螺旋桨按设计负荷推进特性Ⅰ工 作，船机桨配合特性随柴油机速度特性的改变而变化

按设计航速航行
将油门调节到额定喷油量，使柴油机按额定外特性1工 作，机、桨配合工作在A点，即设计配合点，也称MCR 点－柴油机发出额定功率NH和额定转速nH，而船体获 得设计航速VH，整个推进装置具有最佳效率
柴油机功率和扭矩特性
速度特性分类
根据油泵齿条固定的位置（油泵供油量）不同：

1h功率特性（超额外特性）
柴油机供油量固定在1h功率所相应的供油量位置时的 速度特性

12h功率特性（额定外特性）
柴油机的油泵尺条固定在12h功率所对应的供油量位置 上的速度特性
船舶规范规定：船用主机的超额功率为额定功率的 110%，最大转速nmax为额定转速nH的103%，此时柴油 机持续运行1小时不应冒黑烟。
非设计航行工况下的配合特性

重载航行工况
－进速系数较小，J2<JH，推进特性曲线如图中Ⅱ线 －柴油机按额定速度特性工作时，与“重载”航行工 况的机桨匹配在a点，柴油机处于降功率、降转速运 转，Na<NH, na<nH －由于调速器的作用，机桨匹配由A点移到K点，使柴 油机超负荷超功率，NK>NH,当然是不允许的；重新调 节调速器，转速降到na以下，以保证主机不超负荷、 不超功率，推进装置的效率降低
N
Ⅱ
A
Ⅰ
h1
h2
曲线1、2、3、4、5为柴 油机的油门操纵杆固定在 某个供油位置时，相应的 调速特性； h1、h2、h3为柴油机在 不同供油量时的速度特性 曲线；
n
Ⅲ 1 2 3 4
B
h3
5
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示柴油机在 不同工况下的推进特性曲 线。
调速特性

功能
当负荷减小时,迅速将油泵供油量减少到h3,机桨 配合点由A点过渡到B点, 机桨转速基本不变
G
100
D’
F’
nH%
105 110
推进装置机、桨匹配的划分区域
船舶在稳定工况下航行时，船、机、桨的匹配 问题，实际上就是机、桨的配合问题
机、桨匹配划分区域
• 工作区域（Ⅰ）
常用工作区域，位于线AA’与AG之间。热负荷和转速 都未超过100％；主机功率得到比较充分发挥和利用， 机桨匹配处于最佳或较佳状态，柴油机和推进装置的 效率也比较高；
• 输出扭矩
M D 0.3183 Pe Vs i Bm Pe m
式中， Vs 为气缸容积； i 为气缸数； m 为冲程数； Pe n 为平均有效压力； 为柴油机转速。
柴油机的工作特性
指柴油机的性能指标及主要参数与运转情况之 间的变化关系 • 主要参数
功率 N D 、平均有效压力 Pe 、燃油耗率 g e 、排气温 度 Tr 、有效效率 e
• 柴油机的特性
速度特性、负荷特性、调速特性、万有特性及减额功 率输出特性、限制特性、推进特性等
速度特性（外特性）
表示喷油量一定时，柴油机的特性参数随转速 的变化关系
n变，Pe一定时: Ne ∝n ; Ne = Me·n/9.55 =f(n); Me = f( pe ) = 常数
速度特性（外特性）

转速储备
用柴油机主机100％NH和103％nH作为设计点，并用新 船满载试航时的阻力工况作为设计工况。图中D点， 实际运转点仍在C点。

阻力储备
用柴油机主机100％NH和100％nH作为设计点，并用新 船满载试航时的阻力的1.2倍作为设计工况。图中A点， 实际运转点仍在H点。
第三节 船舶推进装置在稳态工况下 的配合特性
推进装置机、桨匹配的划分区 域
• 工作区域（ Ⅱ ）
短期工作区域，位于线BB’与AA’之间。柴油机和 螺旋桨处于重负荷、低转速匹配状态；这个区域长 期工作不仅经济性低，而且安全可靠性也差；
• 工作区域（ Ⅲ ）
超转速区域，位于线AG与FF’之间。在这个区域工 作，对柴油机运动部件的磨耗及寿命都会带来严重 影响，一般避免使用。 船、机、桨匹配问题，就是研究船舶在设计工况和变工况 下如何实现良好匹配，提高和改善船舶技术性能、节能性 能和经济性能的问题
螺旋桨的推进特性
N/T
J1<J2<J3 J1 J2 J3
J
螺旋桨敞水特性
螺旋桨推进特性
n
螺旋桨的推进特性



进速系数是一个表示船舶航行工况特性的系 数，它的量值等于螺旋桨每转一转前进的距 离； 进速系数愈小，航行工况愈重，船舶阻力愈 大，推进特性曲线愈陡； 进速系数愈大时，航行工况愈轻，船舶阻力 愈小，推进特性曲线愈平坦。

万有特性的实际意义
－ 选配柴油机 － 确定柴油机的允许工作界限 － 用于检查柴油机的工作状态
推进特性
推进特性
当柴油机作为船舶主机带螺旋桨，按螺旋桨 N e Kn3 ）工作时，为柴油机的推 特性（ 进特性

推进特性的实际意义
－ 首先是根据柴油机的工作能力合理地设计、选 用螺旋桨； － 其次是确定使用中功率与转速的配合点； － 第三是确定推（拖）船在各种工况下的负荷； － 第四是用以确定船舶的经济航速。
M
Ⅱ
A
Ⅰ
h1
h2 B h3
曲线1、2、3、4、5为柴 油机的油门操纵杆固定在 某个供油位置时，相应的 调速特性； h1、h2、h3为柴油机在 不同供油量时的速度特性 曲线；
n
Ⅲ 1 2 3 4 5 6
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示柴油机在 不同工况下的推进特性曲 线。
调速特性
在调速器作用下，柴油机的功率、转矩与其转速的关系

船体总阻力
R AR Vs
m

总阻功率
N R RVs / 1943 ANVs
m 1
VS －船速 AR ( AN )－阻力系数（功率系数）
螺旋桨的推进特性

根据船舶螺旋桨理论，螺旋桨的敞水动力特性即推 力T、转矩Q、功率N与桨转速n的关系为
Q K Q D 5 n 2
T KT D 4 n 2

超速航行
把油门调节到110％额定负荷，柴油机按超负荷外特性 2工作，机、桨配合工作在B点－柴油机发出超功率和 超转速，NB>NH, nB>nH,船体获得的航速为VB
设计航行工况下的配合特性

低速航行
减少柴油机的喷油量，使其在部分负荷特性3（或4） 工作，机、桨配合工作在C点(或D点)－柴油机降转速、 降功率运转，NC<NH, nC<nH,船体减速航行，VC<VH
第二节 船、机、桨的配合原理

船、桨的配合关系
当船舶处于稳定工况运行时，螺旋桨产生的有效推 力应当平衡于船体阻力，使船获得稳定航行
CT n A RVs
2
2
Vs (CT / AR )1/ 2 n Cn
• 只要合理选择比例关系，就可以将船舶阻力特性曲线、 螺旋桨推进特性曲线表示在一个坐标图上并重合在一起。 • 当船舶处于过渡工况运行时，船、桨平衡破坏，船舶阻 力曲线和螺旋桨推进特性曲线不再重合。



船机桨在稳态航行工况下的配合特性，必须遵 守能量守恒原理； 为了探讨能量平衡关系，采用推进装置配合特 性图，这种配合特性图可用功率－转速作坐标 系，也可用扭矩－转速作坐标系，不考虑能量 传递过程中的各种损失； 是一种研究推进装置配合特性的简便而直观的 方法。
单机单桨直接传动推进装置的配合特性
第四章 船舶推进装置的 特性与配合
热动教研室
主要内容



掌握船、机、桨的基本特性； 掌握船、机、桨的配合原理； 了解船、机、桨在稳定、非稳定及其它 工况下的配合特性； 重点、难点是船、机、桨的基本特性及 其配合特性的理解、掌握与运用； 课时分配:6学时
船舶推进装置
由主柴油机、传动设备、轴系和推进器等组成 主柴油机--能量的发生器 传动轴系--能量的传送器 推进器--能量的转换器 船体--能量的接受器

灵敏度(转速不均匀度)
(nb na ) / nc
1 nc (na nb ) 2
负荷特性

在某一固定不变的转速下，柴油机的性能参 数随负荷 pe 变化的规律

负荷特性曲线
R
m
Ne
ge
G neH n neH
MeH Me1
Me2
n
负荷特性

负荷特性曲线结论
•柴油机按负荷特性运转时，其燃油耗油率曲 线的最低处发生在略低于标定负荷的附近； •在柴油机按不同负荷工作时，无论其转矩如 何变化，将按调速特性线工作，并使其转速 基本保持不变。
由一台主机通过传动轴直接带动一个螺旋桨的 推进装置 • 装置的性能特点
主机的输出功率、输出转矩和输出转速恒等于螺旋桨 的吸收功率、吸收转矩和吸收转速
ND N p MD MP nD nP
单机单桨直接传动推进特性
曲线1、2、3、4 为柴油机速度特 性；其中1 为额 定负荷速度特性； Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为螺 旋桨推进特性， 其中Ⅰ为设计负 荷航行工况推进 特性。
船舶航速的改变，是通过调节油门，改变柴油机的 速度特性，从而改变机、桨匹配平衡点来实现的。
剩余功率


柴油机在以某一转速带螺旋桨工作时，除发 出带螺旋桨所需要的功率之外，潜在的尚能 发出的功率称为剩余功率。（简称余功） 采用轴带发电、轴带油泵等方法，来利用这 部分剩余功率，从而提高推进装置效率。
剩余功率
减额功率输出特性
通过提高气缸内的最大爆压力 Pmax 与平均有效 压力 Pcp 的比值,起到降低燃油消耗率的作用

减额功率特性和减速航行
－后者以降低航速来减少燃油消耗量，往往会导致 耗油率的增加。
船舶阻力特性

船舶阻力
－摩擦阻力：船体表面与水摩擦产生(主要阻力) －涡流阻力（形状阻力）：尾部的水流形成涡流 －兴波阻力：航行中激起的波浪
速度特性分类

标定外特性
将油泵齿条固定在标定功率相应的供油量位置的速度 特性
Байду номын сангаас

部分外特性
供油量固定在小于标定功率供油量的各个速度特性； 柴油机热负荷和机械负荷较底，喷油量更小。

外特性的实用意义
首先是确定柴油机允许工作的最高负荷限制线；其次 是用于分析带桨工作时的匹配情况。
调速特性
在调速器作用下，柴油机的功率、转矩与其转速的关系
非设计航行工况下的配合特性

轻载航行工况
－进速系数较小，J3>JH，推进特性曲线如图中Ⅲ线 －柴油机按额定速度特性工作时，与“轻载”航行 工况的机桨匹配在a’点，柴油机处于超转速运转， na’>nH －由于调速器的作用，使油门减小，柴油机按部分 负荷速度特性4工作，机桨匹配由A移到d’点，柴 油机在降功率下运转，即Nd’’<NH，推进装置的效 率降低
机、桨的配合关系
NH%
MCR
曲线1、2、3、4为 柴油机110％、100 ％、90％、80％热 负荷时的速度特性； Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为 螺旋桨在重工况、 拖网工况、设计工 况和轻工况时的推 进特性。
100
A E B
C
F
D
90
80
70
1
H
2 3
60
Ⅱ
B’ E’ A’ C’ H’
Ⅰ
Ⅲ
4
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 60 65 70 75 80 85 90 95
船舶设计工况匹配点的确定



与设计时所选定的柴油机工作特性和螺旋桨 的推进特性有关，即所选定的机、桨特性曲 线的交点，就是设计工况机桨匹配点； 理论上常把柴油机的额定负荷点，即通过 100％PH和100％nH和MCR点作为设计点； 在设计阶段留有一定的能力储备。
常用的能力储备方法

功率储备
用柴油机主机85％－90％NH和100％nH作为设计点，并 用新船满载试航时的阻力工况作为设计工况。图中C 点。