第五章 船、机、桨工况配合特性
第五章_船、机、桨工况配合特性
令 转速的关系。
AR K C T
1 2
，则n=KVs，即为航速与
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3、船、机、浆的能量转换与配合性质 一、推进装置机械能的传递过程 船舶主机的功率在传递至螺旋桨的过程中，有一 系列损失 THP(推力功率) DHP（收到功率）
Pmc Pi m t
m — —柴油机的机械效率 t、 — —分别表示温度与湿度 的修正系数
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③ 轴功率
n Ps Pmc i rt rz
i — —减速装置效率 rt — —推力轴承的机械效率 rz — —每一个滑动中间轴承 的机械效率
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30 式中：Q — —转矩
Pp
Qn
kw kN m
四、航速与转速的转换关系 在船的阻力特性是用其随航速的变化关系来表示 的，螺旋桨及主机的特性则是用其主要技术参数 随转速的变化关系来表示的。因此，必须了解航 速与转速之间的相互关系，建立两者能够相互转 换的关系式。 船舶在稳定工况航行时，螺旋桨产生的有效推力 和船舶阻力R是相等的，即：
⑥ 船体有效功率
PE P T s
s — —船体影响系数 s
t — —推力减额系数 w — —伴流分数
1
三、机、桨的配合性质 1、工作区域的划分 螺旋桨的设计负荷点，或主机的最大持续输出 点，均要求两者能在所允许运行的工作区域选 取一个机、桨合理配合的设计工况点。
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2、船、机、浆的基本特性
一、船舶柴油机的基本特性 柴油机在运转过程中变化的主要参数为转速和有 效功率(或平均有效压力、或转矩)。 1、柴油机的翰出功率及转矩 P V n i P B P n 柴油机的功率： 0.225 1.36 9.8 104 m
课程名称船舶动力装置课程代码01236理论(新)
课程名称：船舶动力装置课程代码：01236（理论）第一部分课程性质与目标一、课程性质与特点本课程以介绍船舶动力装置的基本型式和原理为主，同时兼顾船舶动力装置有关的基本计算，是高等教育自学考试船舶动力装置专业的一门重要专业课。
二、课程目标与基本要求本课程的目标：是学生通过该课程的学习，对船舶推进系统、轴系、传动装置、管路系统、船、机、桨工况配合，轴系振动控制、动力装置经济性、机舱布置与规划等有较为系统的认识，为今后从事的船舶动力装置设计、船舶管理打下良好的基础。
本课程基本要求：1．熟练掌握船舶动力装置的基本概念、性能及相关的技术指标。
2．熟练掌握轴系设计的基本原理与方法。
3．熟悉传动装置的功能与选型。
4．具备管路系统设备的选型与计算的能力，能完成管路系统原理图的设计。
5．能进行简单的船、机、桨工况配合分析。
6．了解船舶推进轴系扭转振动的常用计算方法，掌握推进轴系扭转振动的控制方法。
7．掌握船舶动力装置的经济性评价方法及提高经济性的措施。
8．能看懂并分析机舱布置图，懂得基本的机舱布置方法。
9．自学过程中应按大纲要求仔细阅读教材，切实掌握有关内容的基本概念、基本原理和基本方法。
三、与本专业其他课程的关系本课程是船舶动力类专业的一门重要专业课，该课程应在修完本专业的基础课和专业基本课后进行学习。
先修课程：船舶柴油机、船舶辅机这两门先修专业课涉及到《船舶动力装置》课程中的相关重要设备。
后续课程：船舶管理、动力机械制造与维修这两门后续课程紧密衔接《船舶动力装置》的知识。
第二部分考核内容与考核目标第1章绪论一、学习目的与要求本章是船舶动力装置的基础内容，通过本章的学习，学生应能够对船舶动力装置的内容体系有初步的认识，有利于进一步地深入学习。
本章主要讲授船舶动力装置的含义及组成、船舶动力装置的类型及特点、船舶动力装置的基本特性指标及对船舶动力装置的要求。
要求掌握船舶动力装置的基本含义和基本组成部分；重点掌握柴油机、汽轮机及燃气轮机动力装置的主要特点，了解联合动力装置、核动力装置的原理及特点；重点掌握船舶动力装置的技术指标、经济指标和性能指标的含义及分类；了解对船舶动力装置的主要要求。
第五章 船舶动力装置的工况配合特性及管理
第五章船舶动力装置的工况配合特性及管理第一节船、机、桨特性和螺旋桨的选配01D 限制柴油机在各种转速下的最大有效功率，使柴油机的机械负荷和热负荷不超出为保证它可靠工作而规定的允许范围称________，是________的一种。
A．等转矩限制特性/推进特性C．限制特性/负荷特性B．额定外特性/速度特性D．限制特性/速度特性02B 船舶在“前进三”航行时，主机工况点常在________速度特性线上运行。
A．80%负荷B．85%负荷C．90%负荷D．100%负荷03B 分析柴油主机在________工况下运行，增压器的压气机容易发生喘振。
a．单独增压系统风浪天发生飞车时；b．并联增压系统在高负荷运行时；c．柴油机紧急降速运行时；d．柴油机加速过快时；e．串联增压系统在高负荷运行时；f．串联增压系统风浪天发生飞车时。
A．a+b+c+eB．a+c+d+eC．b+c+d+eD．b+d+e+f04A 柴油机带动螺旋桨工作时，其________的关系也应按螺旋桨特性的规律变化，这就是柴油机的推进特性，它也是________的一种。
A．功率和转速/速度特性B．转速/限制特性C．负荷/负荷特性D．转速或负荷/限制特性05A 增压柴油机按推进特性工作时，充量系数Фc过量空气系数α随转速n变化________。
a．n增加，Фc减小，负荷变化对Фc的影响很小；b．n增加，α降低，且增压柴油机α的降低幅度比非增压小；c．n增加，Фc急剧下降，负荷变化对Фc的影响很大；d．n增加，α增加。
A．a+bB．c+dC．仅仅是aD．仅仅是b06D 在下列表达式中________柴油机推进特性。
A．P R=A R·v3 B．P e=CniP eC．3n pC P=D．3n eC P=07C 柴油机带动螺旋桨工作时，其功率与转速的3次方成正比，这称为________。
A．柴油机的速度特性B．螺旋桨的推进特性C．柴油机推进特性D．柴油机外特性08D 关于柴油机特性理解正确的是________。
第五章 船舶推进装置
第五章船舶推进装置第一节船舶推进装置的传动方式船舶推进装置按传递到螺旋桨功率方式不同可分为以下几种。
一、直接传动直接传动是主机动力直接通过轴系传给螺旋桨的传动方式。
在这种传动方式中，主机和螺旋桨之间除了传动轴系外，没有减速和离合设备，运转中螺旋桨和主机始终具有相同的转向和转速。
它的主要优点是：（1）结构简单，维护管理方便。
只要安装时定位正确，平时管理中注意润滑冷却，一般不会出现大问题。
（2）经济性好，传动损失少，传动效率高。
主机多为耗油率低的大型低速柴油机。
螺旋桨转速较低，推进效率较高。
（3）工作可靠，寿命长。
因此普遍应用于大、中功率的民用船上。
其缺点是：整个动力装置的重量尺寸大，要求主机有可反转性能，非设计工况下运转时经济性差，船舶微速航行速度受到主机最低稳定转速的限制。
二、间接传动间接传动是主机和螺旋桨之间的动力传递除经过轴系外，还经过某些特设的中间环节（离合器、减速器等）的一种传动方式。
根据中间传动设备的不同，又可分为只带齿轮减速器；只带滑差离合器和同时具有齿轮减速器和离合器三种。
它的主要优点是：（1）主机转速可以不受螺旋桨要求低转速的限制。
只要适当选择减速比，就可使主机的转速适应螺旋桨的转速要求。
（2）轴系布置比较自由。
主机曲轴和螺旋桨轴可以同心布置也可以不同心布置，以改善螺旋桨的工作条件。
（3）在带有倒顺车离合器的装置中，主机不用换向，使主机结构简单，工作可靠，管理方便，机动性提高。
（4）有利于多机并车运行及设置轴带发电机。
间接传动的主要缺点是轴系结构复杂，传动效率较低。
这种传动方式多用于中小型船舶以及以大功率中速柴油机、汽轮机和燃气轮机为主机的大型船舶。
近年来由于动力装置节能的需要，提高螺旋桨的推进效率越来越被人们重视，而采用大直径低转速螺旋桨是有效途径。
在70年代初，低速柴油机利用直接传动方式带动的螺旋桨转速多在100r/min以上，中速机通过减速箱减速一般也不低于90r/min。
第5章 桨船相互作用解读
3．巴甫米尔公式
ω＝0.165
3 x CB
Δw D
对于单桨船的主要结论如下： ① 平均而言，泰洛公式的误差最小。 ② 对于内河船，以巴甫米尔公式，及巴甫米尔公式与 汉克歇尔公式的求和平均值为佳，泰洛公式并不适用。 对于双桨船的主要结论如下： ① 各公式的计算值与实测结果均较接近，其中以汉克 歇尔公式为最好、巴甫米尔公式次之；但当方形系数C B 较 小时，均相差较多，相对而言，巴甫米尔公式比较好些。 ② 巴甫米尔公式的适用性较广。对求和平均值而言， 以上述三式相加的平均值为最佳，泰洛公式加巴甫米尔公式、 汉克歇尔公式加巴甫米尔公式次之。
对于单螺旋桨船： t ＝ kω 式中，k为系数，视舵的形式而定， k＝0.50～0.70，适用于装有流线型舵或反应舵； k＝0.70～0.90，适用于装有方形舵柱之双板舵； k＝0.90～1.05，适用于装有单板舵者。 对于双螺旋桨船采用轴包架者： t＝0.25ω+0.14 对于双螺旋桨船采用轴支架者： t＝0.70ω+0.06
若螺旋桨进行敞水试验时，保持转速 n 不 变，调节进速直至Q0 ＝QB时，量取其进速VA 及推力 T0，则得 u1=V－VA，也为实效伴流速 度。这种方法称为等转矩方法，但此时 T0=TB。
用等推力法得到的实效伴流u与等转矩法得 到的实效伴流u1是不相等的。
等推力法是目前为大家广泛采用的方法。
再近似地考虑两者之间的相互影响。这种近似方
法的实质是：把船体和螺旋桨仍然看作是孤立的，
即认为螺旋桨是在船后流场中单独工作，而船体 位于螺旋桨所影响的水流中运动。这样就可以把 孤立螺旋桨和孤立船体相联系起来，亦即考虑到 上述情况以后，可以把螺旋桨敞水试验的结果和
第五章船舶推进装置
第五章船舶推进装置第五章船舶推进装置第⼀节船舶推进装置的传动⽅式船舶推进装置按传递到螺旋桨功率⽅式不同可分为以下⼏种。
⼀、直接传动直接传动是主机动⼒直接通过轴系传给螺旋桨的传动⽅式。
在这种传动⽅式中，主机和螺旋桨之间除了传动轴系外，没有减速和离合设备，运转中螺旋桨和主机始终具有相同的转向和转速。
它的主要优点是：（1）结构简单，维护管理⽅便。
只要安装时定位正确，平时管理中注意润滑冷却，⼀般不会出现⼤问题。
（2）经济性好，传动损失少，传动效率⾼。
主机多为耗油率低的⼤型低速柴油机。
螺旋桨转速较低，推进效率较⾼。
（3）⼯作可靠，寿命长。
因此普遍应⽤于⼤、中功率的民⽤船上。
其缺点是：整个动⼒装置的重量尺⼨⼤，要求主机有可反转性能，⾮设计⼯况下运转时经济性差，船舶微速航⾏速度受到主机最低稳定转速的限制。
⼆、间接传动间接传动是主机和螺旋桨之间的动⼒传递除经过轴系外，还经过某些特设的中间环节（离合器、减速器等）的⼀种传动⽅式。
根据中间传动设备的不同，⼜可分为只带齿轮减速器；只带滑差离合器和同时具有齿轮减速器和离合器三种。
它的主要优点是：（1）主机转速可以不受螺旋桨要求低转速的限制。
只要适当选择减速⽐，就可使主机的转速适应螺旋桨的转速要求。
（2）轴系布置⽐较⾃由。
主机曲轴和螺旋桨轴可以同⼼布置也可以不同⼼布置，以改善螺旋桨的⼯作条件。
（3）在带有倒顺车离合器的装置中，主机不⽤换向，使主机结构简单，⼯作可靠，管理⽅便，机动性提⾼。
（4）有利于多机并车运⾏及设置轴带发电机。
间接传动的主要缺点是轴系结构复杂，传动效率较低。
这种传动⽅式多⽤于中⼩型船舶以及以⼤功率中速柴油机、汽轮机和燃⽓轮机为主机的⼤型船舶。
近年来由于动⼒装置节能的需要，提⾼螺旋桨的推进效率越来越被⼈们重视，⽽采⽤⼤直径低转速螺旋桨是有效途径。
在70年代初，低速柴油机利⽤直接传动⽅式带动的螺旋桨转速多在100r/min以上，中速机通过减速箱减速⼀般也不低于90r/min。
项目五 任务二 知识点1 船舶推进装置工况配合.
船舶在各种航行状态时 （如轻载、重载、拖带 等），螺旋桨就处于不同的工作状态，其推力、扭矩 和转速间的关系可以用一组二次方曲线族表示，如图 5-13(a)所示，图中实线表示推力：一转速特性；虚线 表示扭矩一转速特性。定螺距螺旋桨的功率特性与转 速 np 呈三次方关系，其具体曲线形态随船舶航行工况 而变，亦即随进程比λp而变[见图5-13(b)]
速度特性
也称作外特性。 柴油机试验台上测定，将喷油量调节机构固定在某一位置，改变 负荷，使转速变换。 全负荷速度特性：标定转速发出标定功率的供油位置，标准试验 环境（大气压p0=100kpa，相对湿度φ0=30%/无限航区60%，环境 温度T0=298K/318K）及持续功率下测定。 超负荷速度特性：超负荷功率为标定功率的110%（对应 103%neb），并且在12h运转期内允许超负荷运转1h。 部分负荷速度特性：喷油泵油量固定在小于标定功率油量
一、船、机、桨的特性 船舶推进装置是将主机产生的能量通过传动设备传递 到螺旋桨产生推力、克服船舶阻力使船舶运动的一套装置 。通常它有五部分配合共同工作。 主机：能量发生器。 传动设备:以尽可能小的能量损失将主机产生的能量传递 给螺旋桨。 轴系:连接主机（传动设备）和螺旋桨。 推进器：能量转换器，阻力变，桨特性变 船体：能量吸收器，装载量变、污底、航道等变化引起船 舶阻力变化。
可调螺距螺旋桨的功率一转速曲线的形态还与第二变 量 H/D有关；当船体阻力条件不变时（即 λp =某值 C时） 螺距每调整一次，特性曲线就变动一次，H/D愈大，特性 曲线就愈陡，如图5-14。
二、船、机、桨的相互作用
在船舶推进系统中，船、机、桨三者处在同一推进系统中， 组成了一个统一的整体。当船舶在某一工况下稳定航行时，同 时也决定了机、桨的运转点。在稳定运转条件下，若不计传动 损失，主机发出的功率Pe和转矩Me等于螺旋桨的吸收功率Pp和转 矩肘Mp同时螺旋桨产生的推力又与船体运动时所产生的阻力相 平衡。
第五章 船、机、浆工况配合特性()
船体特性：阻力一航速或有效功率一航速特性曲线。 主机特性：转矩一转速或有效功率一转速特性曲线。
③
螺旋桨特性：螺旋桨转矩一螺距比和进速系数的关系和
螺旋桨推力一螺距比和进速系数。
2、特性曲线
所谓特性曲线，就是把船、机、桨三者随转速变化的一些 技术、经济参数，分别或集中地用图表示出来，以了解它
们的变化特点、配合关系和工作范围等。
④
螺旋桨收到功率 w — —尾轴承及密封填料的 机械效率 推力功率
P T Pp B Pp x 0
Pp Ps w
⑤
B — —船后螺旋桨效率 x — —相对旋转效率 0 — —螺旋桨敞水效率
P E P T s
⑤
船体有效功率
s — —船体影响系数 s
第五章 船、机、浆工况配合特性
§5-1 基本概念
§5-2 船、机、桨的基本特性
§5-3 船、机、桨的能量转换与配合性质
§5-4 典型推进装置的特性与配合 § 5-5 船、机、桨在变工况时的配合
§5-1 基本概念
一、 船、机、桨三者的能量关系
船舶主机、螺旋桨和
船体三者是一个能量
的平衡系统。主机是
能量的发生器，螺旋
一、船舶柴油机的基本特性
柴油机在运转过程中变化的主要参数为转速和有效 功率(或平均有效压力、或转矩)。 1、柴油机的有效功率 柴油机在气缸中单位时间内所作的功称为指示功率。 指示功率减去消耗于内部零件的 摩擦损失、泵气 损失和驱动附件损失等机械损失功率之后，从发
动机曲轴输出的功率称为有效功率Pe，下式中Me
为有效扭矩。
对于型式一定的柴油机，如果忽略柴油机的喷油泵性能、 扫气性能及机械效率在不同转速时的变化。可近似地认为: 当柴油机的供油量一定，仅其转速变化时，Pe随转速成正 比变化
船机桨匹配知识
一、船舶推进系统分析--匹配特性浅析
长 型宽
2---10
型深
1.5---8
吃水
1---5
方型系数
0.45—0.83
棱型系数
0.45—0.85
排水量
100--8000
船型
10---150
速比
传扭力 WHG120 桨型 WHG135
型号 WHG300 WHG400 叶数 JD导管桨 高恩G-3 型号 226 STYRE WP12 160 170 3--6 WHG600 桨数 1--3
试验规范1 柴油机系泊试验（负荷试验--采用转速法） 柴油机系泊试验（负荷试验--采用转速法） --采用转速法 序号 转速相对额定值 试验时间 0.25 50 0.25 64 正车 0.5 73 2--4 80 倒车 70 0.25
1 2 3 4 5 试验规范2
工况序号 1 2 3 4
主机航行试验（负荷试验--采用转速法） 主机航行试验（负荷试验--采用转速法） --采用转速法 工况特性 试验时间 功率 扭矩 转速 <220KW 220--735KW 75 83 0.5 0.5 91 100 100 2 2---4 100 0.25 0.25 110 103 倒车 70 0.25 0.25
设计匹配点 船舶推力、阻力特性曲线
船舶推力、阻力特性曲线
螺旋桨参数
一、船舶推进系统分析
海洋渔船分析计算实例
长37m; 宽7.6m;型深3.8m;吃水2.8m;排水量439t;单机单桨，主机：580hp/1350rpm;齿轮箱：3：1
按自由ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ行设计匹配点
船舶推马力、有效马力特性曲线
螺旋桨参数
一、船舶推进系统分析
船机桨配合
第二种情况
① 若主机转速保持常数，
由于螺旋桨的VA减小，则进 速系数J下降，KT及KQ均增 大。当船速降至V2时进速系 数为J2，其相应的推力及转 矩系数为KT2及KQ2，克服船 速为V2时的阻力R2，船体与 螺旋桨在V2＜V 的状态平衡。 此时，KQ2＞KQ，故Q2＝ KQ2ρn2D5＞Q。
船体-螺旋桨-主机之间能量转换及工作 状态是相互牵制和相互关联的。
§ 10-1 船-机-桨的配合工作条件与分析
船速变化时螺旋桨的工作情况
当船在刚开航时，此时螺旋桨的进速系数J＝0，其
发出之推力启动船舶作加速运动。其后，船速渐增，阻 力加大，而螺旋桨的进速系数也随之渐增。若转速保持 不变，则推力因进速系数增加而略减，如转速继续增加， 则推力可能续增。当船速与转速达到适当的关系后，螺 旋桨发出的推力恰能克服船体阻力，螺旋桨所遭受的转 力矩亦恰为主机所能供给者，则供求互相平衡，船即以 等速度前进，螺旋桨也在一定的进速系数下操作。
转速，而主机仍处于最大转矩下工作，这种
现象，称螺旋桨处于“重载”状态工作。
船体-螺旋桨-主机的配合问题
① 船舶在经济航速时的功率及转速，也即螺旋桨 在不周转速时可以达到的航速和所需的主机马力；
② 船舶的排水量或外界情况发生变化时，船舶能 够达到的航速、主机的功率及转速；
③ 多螺旋桨船在部分螺旋桨工作时能达到的最大 航速、主机功率和转速；
④ 关于螺旋桨的设计工况。
一、特性曲线
① 船体：表征船体阻力特性的是有效马力曲 线。
② 螺旋桨的特性曲线：螺旋桨的特性是由敞 水性征曲线来表示的。
③ 主机的特性曲线：船用主机一般有蒸汽往 复机、蒸汽涡轮机及内燃机三种，而目前以 内燃机使用最为普遍，因此这里主要介绍内 燃机的外特性。
推进系统的动力配合性能(共44张PPT)
性 另摩 外在不擦 同航R 速v 下阻 1 s.8 各， 6 种阻力 力漩 成分比R 涡 例 v 也s2， 不相阻 同，兴 同力 一R 条波 船vs4
低速时摩擦阻力占主要成分；而高速时，兴波阻力称为成 为主要成分，漩涡阻力主要决定于船体形状和附属结构物， 与船速关系不大。
推进系统的动力配合特性
参 数
（2）螺旋桨有效推力Te等于船体阻力R，
关
Te=T（1-t）=R
系 （3）螺旋桨收到的功率Pp后，通过自身在流场内的 作用，发出船体阻力所需要的有效功率PR
PR Ppprs PTs PPt p螺旋桨敞水效 r相率对旋转效率 s船身效率t螺旋桨推进效率
推进系统的动力配合特性
船 由此可知，推进系统工作特性是发动机-传动机组及 机 螺旋桨、船体在外特性方面的综合匹配，是他们之 桨 间功率、扭矩、转速、效率、推力和船速等参数在 动 推进系统工作时的运动学和动力学关系。
力 船舶在航行时的阻力、航速等参数不仅决定于船体尺 参 度和线型，还取决于航行中的海况、风浪、激流及装 数 载量等因素；航行中除了额定工况外，还有部分工况、 关 船舶起航、加减速、倒车和转弯等操纵方式的变化； 系 船-桨-机本身性能的不断变化等。
推进系统的动力配合特性
船 因此，不同的外载荷、不同的运行工况、装置部件性能 机 上的变化等，都会引起动力特性及其配合特性的变化， 桨 为此一般将推进系统的动力配合工作特性，分为稳态工
衡受到破坏。
推进系统的动力配合特性
船 研究推进系统动力配合特性的目的是：1）通过选择设 机 计工况，合理选择船-桨-机的技术参数；2）比较各类 桨 推进装置特点确定各部件的型号、规格；3）分析已确 动 定的推进装置在非设计工况下的工作能力和适应性，
动力装置特性曲线(精)
船、机、桨稳定（静态）工况配合曲线
5-4 海上功率储备和主机选型
一 、海上功率储备 1、主机能力储备（EM) 2、海况储备(SM) 二、主机选型 1、合同功率和转速的概念(CMCR,nCMCR) 2、主机选型问题 在合同功率和转速与标称功率和转速不相同时如何选 机，例题说明：
（2）机动操纵引起的变化，即船舶在起航、加速、减 速、转弯、倒退等工况的变化。
（3）船、机、桨本身的性能变化，即主机与轴系长期 使用后效率的下降、船舶的污底、螺旋桨直径或螺距发 生了变化等。
柴油机的主要参数
⒈指示功率的表达式： Ni =pi ·vs ·n ·i / (0.03 τ) KW ⒉有效功率的表达式
(n不变，Pe变） 柴油机带直流发电机时要求电压不变，带交流发电机时要 求周波数不变，因此柴油机应恒速运行。当外界负荷变化时通 过改变Pe来进行调节。
船用柴油机推进特性曲线
四、柴油机的万有特性
图1-18 船用柴油机特性曲线综合图(1)
图1-18 船用柴油机特性曲线综合图(2)
第5章 船、机、桨工况配合特性
即 Ne 与 n成直线关系,如下图所示.
实际上每循环进气量、热态状、指示效率、每循环喷油 量、定时等都与转速有关， 因此，pe 是变化的。
外特性
1）外特性的定义 在速度特性线中，把柴油机在喷油量（即 pe）不变时， 在各种转速 n下的最大做功能力称为柴油机的外特性。 2）外特性的种类 根据柴油机工作时的强化程度不同，其又可分为： （1）极限功率外部特性曲线（简称极限外特性线） （平均有效压力pe1 ） 含义：柴油机热负荷和机械负荷达到极限程度。 （2）冒烟外特性线（又称为15分钟功率特性曲线） 含义：柴油机热负荷非常高，表示开始冒烟与不冒 烟的分界线。（平均有效压力pe2 ）
船机桨配合
103.5~105%额定转速n作为螺旋桨设计工况 点。
二、多工况船舶螺旋桨设计的特点
拖船、拖网渔船、破冰船及扫雷艇等都具 有两种典型的航行状态：自航状态和拖航(或 破冰、扫雷)状态。
在多工况船螺旋桨设计的计算中，必须对 各种速度下的拖力和可能达到的自由航速进 行计算，以代替本节二中的校核曲线。其原 则是：
① 当船速大于设计状态的速度时，采用转 速等于常数(即额定转速)进行计算；
② 当船速小于设计状态的速度时，采用转 矩等于常数(即主机额定转矩)进行计算。
TA2 TA TA1
设计R
第一种情况
① 若主机转速n保持常数，
由 于 螺 旋 桨 的 进 速 VA 提 高 ， 则进速系数J上升，KT及KQ均 减 小 。 当 船 速 达 到 V1 时 进 速 系数为J1，其相应的推力及转 矩系数为KT1及KQ1。克服船速 为 V1 时 的 阻 力 R1， 船 体 与 螺 旋桨在V1＞V的状态平衡。此 时 KQ1＜KQ， 故 Q1＝ KQ1·ρn2D5＜Q，Q为主机在转 速n时所能提供的转矩。
能 量 的 需 求 者
能 量 的 转 换 器
机 械 能 的 发 生 器
但船舶的实际航行状态比较复杂，外界 情况的改变(例如风浪、污底、航道深度、 装载情况等)直接引起船体阻力的变化，因 而航速、螺旋桨的工作情况、主机的功率 及转速等都将发生变化。
船体-螺旋桨-主机之间能量转换及工作 状态是相互牵制和相互关联的。
表明：当船体阻力减小时，若主机转速能 够提高，则船速可以增大。
第二种情况
① 若主机转速保持常数，
由于螺旋桨的VA减小，则进 速系数J下降，KT及KQ均增 大。当船速降至V2时进速系 数为J2，其相应的推力及转 矩系数为KT2及KQ2，克服船 速为V2时的阻力R2，船体与 螺旋桨在V2＜V 的状态平衡。 此时，KQ2＞KQ，故Q2＝ KQ2ρn2D5＞Q。
船舶操纵螺旋桨05
螺旋桨致偏作用
• 致偏作用的运用
– 向右就地掉头 – 自力靠码头操纵 – 系靠单浮或单点系泊
螺旋桨致偏作用
• 向右就地掉头
螺旋桨致偏作用
• 自力靠 泊操纵
螺旋桨致偏作用
• 系靠单 浮或单 点系泊
螺旋桨致偏作用
• 思考
– CPP要达到与FPP同样的效果，如何 设置转动方向？
本节要点
• • • • 螺旋桨推力与转矩 船速分类、测速 滑失与滑失比概念及作用 螺旋桨横向力 （产生机理、作用方向）
敞水桨推力与转矩敞水桨推力与转矩敞水桨推力thrust示意npvpdtdqdl敞水桨推力与转矩敞水桨推力与转矩敞水桨推力敞水桨推力thrustthrusttnn22dd44kktt敞水桨转矩敞水桨转矩torquemqmqnn22dd55kkqqkktt为推力系数为推力系数kkqq为转矩系数为转矩系数由水池试验求得由水池试验求得敞水桨推力与转矩敞水桨推力与转矩nd进速系数0204060810120204060810k螺旋桨推力与转矩螺旋桨推力与转矩伴流对提高螺旋桨推力是个有利因素推力与转矩推力与转矩船尾螺旋桨工作时其产生的水流柱引起船体尾部流速加快压强降低从而使船体阻力产生增值这部分增加的阻力称为阻力增额
– 船速的提高
• 沉深横向力减小， • 伴流横向力、排出流横向力推尾向左的影响增强，将逐渐削弱甚至克 服沉深横向力的作用。
– 不论出现左偏或右偏，均可用2～30舵角加以克服保证船舶直航。
螺旋桨致偏作用
• 前进中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ车
– 开始船速较高
• • • • 伴流横向力的影响使船首左偏； 倒车排出流横向力使船首右偏的影响则较弱； 沉深横向力的影响使首右偏； 总体而言船舶的偏转方向不定，此时用舵就能克服偏转。
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二、特性、配合与工况 1、特性 船、机、桨三者的合理配合，可使能量得到最佳 的转换。转换的理论基础就是能量守恒与转换定 律，即船、机、桨系统的相互平衡。这种平衡表 现在两个方面：运动的平衡关系和动力的平衡关 系。这些关系由它们三者各自的特性所决定。
RV s PE kw 1943
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三、船舶螺旋桨推进特性 船舶螺旋桨推进特性主要反映螺旋桨的推力T和 扭矩Q、推力系数KT、 转矩系数KQ，以及桨的 敞水效率等随船速和进速系数J的变化关系。 式中： V
nD T KT n 2 D 4 Q Ka n 2 D 5 TVa KT J 0 Q 2n K Q 2 J
⑥ 船体有效功率
PE P s T
s — —船体影响系数 s
t — —推力减额系数 w — —伴流分数
1- t 1- w
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三、机、桨的配合性质 1、工作区域的划分 螺旋桨的设计负荷点，或主机的最大持续输出 点，均要求两者能在所允许运行的工作区域选 取一个机、桨合理配合的设计工况点。
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二、船舶航行阻力特性 船舶在航行时，受到空气和水这两种介质的阻力。 一般民用船舶的阻力，以摩擦阻力为主。水对船 体的总阻力与航行速度的m次方成正比即：
R AR Vsm
若航速为Vs时，其船体总阻力为R，则直接用于 克服船体阻力所需的功率PE为
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4、典型推进装置的特性与配合 一、单机单桨直接传动 1、基本原理 忽略传动机组及轴系的传动损失，柴油机所发出 的功率PD须等于螺旋桨所吸收的功率PP。柴油机 的特性PD=cn和螺旋桨的推进特性曲线 Pp=Cpn3变化规律不同，在某一稳定工况条件下， 两者的配合只能在一点相交。
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四、航速与转速的转换关系 在船的阻力特性是用其随航速的变化关系来表示 的，螺旋桨及主机的特性则是用其主要技术参数 随转速的变化关系来表示的。因此，必须了解航 速与转速之间的相互关系，建立两者能够相互转 换的关系式。 船舶在稳定工况航行时，螺旋桨产生的有效推力 和船舶阻力R是相等的，即：
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3、储备的主要方法 ①功率储备法 ②转速储备法 ③阻力储备法 除这三种方法外，有将阻力增加某一百分比，又 对在100%转速时的主机打一定折扣来设计螺旋 桨；也有在设计时先不考虑储备，待算出螺旋桨 参数后凭经验适当加以修正。
（三）负荷特性 负荷特性是指在某一固定不变的转速下，柴油机 的性能参数随负荷户Pe变化的规律。负荷特性的 实际意义： ①确定非增压柴油机的标定工况 ②使负荷特性易测定，常在柴油机调试、改变设计 时用作检验调试效果，所以又称之为调整特性 ③作为带发电机工作的特性 ④测出不同转速的负荷特性，用于制取万有特性等， 负荷特性可与速度特性综合出其它任何一种实用 工况的特性
a
— —水的密度； D — —螺旋桨直径， ； mm n — —螺旋桨转速， / s； r Vn — —螺旋桨进速， / s； m
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如右图所示KT、KQ及 其随J变化规律和关系。 在给定船舶中，其桨 径为定值，J仅随 Va/n而变化，当 Va/n为常数时，KT、 KQ为定值，故桨的有 效推力Te和转矩Q与 转速的平方成正比， 即
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（五）柴油机的推进特性 当柴油机作为船舶主机带螺旋桨，按螺旋桨特性 （P=cn3）工作时，为柴油机的推进特性。 推进特性的实际意义： ①根据柴油机的工作能力合理地设计、选用螺旋桨 ②确定使用中功率与转速的配合点 ③确定推(拖)船舶在各种工况下的负荷 ④用以确定船舶的经济航速
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（六）柴油机减额功率输出特性 降低柴油机的耗油率的方法之一就是提高气缸内 的最大爆发压力Pmax与平均有效压力pe的比值。 Pmax是柴油机结构强度的设计依据，在设计时 已确定，而柴油机的功率是否Pe和转速n的乘积 成正比，一般把最大待续功率点(MCR)时的pe 值降低，作为新的标定点，而此时的Pmax仍维 持与MCR相对应的值不变，这样就提高了Pmax 与Pe的比值，实现了比MCR低的燃油耗率。
n — —中间轴承的数目
③ 螺旋桨收到功率
Pp Ps w
w — —尾轴承及密封填料的 机械效率
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⑤ 推力功率
P Pp B Pp x 0 T
B — —船后螺旋桨效率 x — —相对旋转效率 0 — —螺旋桨敞水效率
不同的机型其工作区域划分范围是有差别的。
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2、螺旋桨设计负荷点的确定 螺旋桨的设计负点是指机、桨额定工况的配合点， 它与设计时所选定的机、桨特性曲线有关，将它 们的性能曲线示于同一个功率-转速特性图上，其 交点即为配合点。 理论上，此点是通过100%Pmc、100%Pe和 100%nn 的MCR点；但在实船营运过程中，这 个配合点往往会发生变化。
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根据油泵齿条固定的位置不同，外特性分为以下 几种： ①1h功率特性 ②12h功率特性 ③标定外特性 ④部分外特性 （二）调速特性 在调速器作用下柴油机的功率、转矩与其转速的 关系叫做柴油机的调速特性。
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（四）万有特性 在柴油机的运转范围中， 在同一转速下用几个不同 的喷油量作试验，并将有 关结果记录下来；再分别 固定各档转速，供人不同 喷油量；进行行试验将结 果按P、n、ge、QD等参 数整理绘制成图，即得万 有特性曲线，如图所示
所谓柴油机的特性，就是指柴油机的性能指 标及主要参数与运转情况之间的变化关系， 主要有：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。
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（一）速度特性(外特性)
柴油机运转中，只改变转变n，而Pe保持不变， 这种运转特性称为速度特性或外特性。 它表达柴油机的技术经济指标随转速或航速的变 化关系，通常用以表示主机的工作性质。
Pmc Pi m t
m — —柴油机的机械效率 t、 — —分别表示温度与湿度 的修正系数
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③ 轴功率
n Ps Pmc i rt rz
i — —减速装置效率 rt — —推力轴承的机械效率 rz — —每一个滑动中间轴承 的机械效率
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4、推进装置的工况 推进装置的工况，是指船、机桨三者配合工作时 的运转状况，包括： ①以转速n为变量的工况 ②以负荷Pe(或轴的扭矩Mp)为变量的工况 ③以n（或Vs与Ve或Mp）并同时均为变量的工况
T e CT n 2 Q C Q n 2
kN kN m
CT、CQ — —常数 n — —螺旋桨转速
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螺旋桨所需的功率可写成：
30 式中：Q — —转矩 Pp
Qn
kw kN m
式中的Q用上页公式代入可 知Pp与转速的立方成正比 左图示出了在不同进速J时， T（Q）和Pn与n之间的函 数关系，可知：当n一定时， 随J的减小，T（Q）和Pp 均要相应增大：J保持不变 时，T与Q两参数均随n的 平方成比例关系。
e s D N e
Pe — —平均有效压力 Vs — —气缸有效工作容积 n — —曲轴转速 i — —气缸数 m — —行程数
柴油机的转矩：
0.0318Vs i pe QD Bm pe m
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2、柴油机的特性 当柴油机工况发生变化时，柴油机的性能及 主要参数随工况改变相应变化。
第五章 船、机、浆工况配合特性
基本内容
1、基本概念
2、船、机、桨的基本特性
3、船、机、桨的能量转换与配合性质
4、典型推进装置的特性与配合 5、船、机、桨在变工况时的配合
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1、基本概念
一、 船、机、桨三者的能量关系
船舶主机、螺旋桨和船体三者是一个能量的平 衡系统。主机是能量的发生器，螺旋桨为能量 的转换器，后者将主机发出的旋转能转换为推 进能使船体运动。船体为能量的需求者，螺旋 桨的推进能用于克服船体的运动阻力。
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2、船、机、浆的基本特性
一、船舶柴油机的基本特性 柴油机在运转过程中变化的主要参数为转速和有 效功率(或平均有效压力、或转矩)。 1、柴油机的翰出功率及转矩 P V n i P B P n 柴油机的功率： 0.225 1.36 9.8 104 m
Te T (1 t ) R
kN
t — —推力减额分数
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故由
R AR Vsm
和
T e CT n2
1 2
可得
AR n C T
Vs
对于已设计建造的船舶，其线性与尺度是已 定的，当船舶的航行状态也保持一定时，上 式的系数AR、CT可看成常数。
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2、特性曲线 所谓特性曲线，就是把船、机、桨三者随转速变 化的一些技术、经济参数，分别或集中地用图表 示出来，以了解它们的变化特点、配合关系和工 作范围等。 3、配合点 在某一工作条件下，船、机、桨三者的转速与能 量均相等的点称为“配合点”，也称“平衡点”。
令 转速的关系。
AR K C T
1 2
，则n=KVs，即为航速与
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3、船、机、浆的能量转换与配合性质 一、推进装置机械能的传递过程 船舶主机的功率在传递至螺旋桨的过程中，有一 系列损失 THP(推力功率) DHP（收到功率）