工况管理2

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主机与螺旋桨的配合工况点 是a;当阻力增加时,在 油门格数不变下,曲线II 与全负荷速度特性相交于 b点。b点为机浆新的配合 工况点,主机的转速降至 nb<nH,功率也相应降至 Pb<PH。若轮机员不了解 转速下降的原因,仍要保 持额定转速不变而盲目加 大油门格数,将使机浆配 合工况点变为e点,则主 机超负荷运行,既超机械 负荷也超热负荷,同时因 主机输出的功率增大而使 轴系机械随着超负荷。
浅水影响是相对的,浅水阻力增 加除与航速有关外,还同水深 h与船舶吃水T的比值h/T有关。 船模试验表明,若h/T>4,浅 水影响不太明显。航道越浅, h/T越小,则阻力增加越显著。 当船以一定航速(0.3 gh到 gh范围内)从深水进入浅水 航行时,其阻力增加,因而螺 旋浆推进特性曲线变陡,螺旋 浆需要比深水航行时更大的功 率。若航速V=0.6 gh是船在 深水航行时的全航速,则当船 舶进入浅水时,阻力由R1增至 R2。如要保持原航速那么必须 增加主机油门格数,从而主机 必然超负荷。
二、船舶在不同气象条件下和不同航区中 航行时的工况管理
1、船舶在顺风、逆风和大风浪天航行时的工况管理 船舶航行要受到气候变化的影响,特别是风浪的影响。逆 风航行时,风力会使船舶的空气阻力增加,而顺风航行 时则相反。空气阻力的大小取决于风力、风向、船体水 上部分以及上层建筑的受风面积和航速。船在风浪天航 行时,风浪将使船舶产生摇摆、升沉、拍击等一系列复 杂运动,并掀起波浪,使船体上的压力中心分布,引起 附加的兴波阻力。同时水线以上的船体部分受到风力作 用,当顺风时船舶总阻力减少,逆风时则阻力增加,若 风从侧向吹来则影响航向,要通过舵的作用来抵消以维 持既定航向,船舶的偏舵航行也会使船的阻力增加。因 此船舶在风浪天下航行时,船舶将受到附加阻力。
窄航道对阻力的影响与浅水相同。当船舶在窄航道航行时, 船舶周围水流状态受到航道宽度的限制。窄航道的影响 也是相对的,它与航速和航道相对宽度有关。如果船的 航速V<0.5 gL(L为船长),d/B>20(b为航道宽度,B为船 宽),就没有影响。在窄航道中,阻力随航速变化的规 律与浅水中类似。通常窄航道往往也是浅水区,因此阻 力增加的程度就会更大,所以船舶进入浅水或窄航道航 行时,除海底阀换用高位外,主机还应降速,以防船舶 搁浅。
式中VB——风浪天时的航速; Vs——无风浪时的航速; Δ V——风浪影响造成的航速减额。 根据以上分析,由于风浪天船舶阻力增加,船舶的航 速下降,螺旋浆进程比λ p减小,从而螺旋浆特性曲 线变陡,机浆的配合特性也将随着发生变化。
a、b、c分别代表船舶在轻 浪顺风、无风、大浪逆风 航行时的螺旋浆特性,曲 1)风力对机桨配合 线I和II分别为主机全负 特性的影响 荷特性和部分负荷特性。 在无风航行时,机浆配合 点为2,在逆风时配合点 将变为3,此时应注意不 能盲目加大油门以防止超 负荷。当船在无浪或轻浪 顺风航行时,船舶附加阻 力Δ R可能变为负值,即 航速将得到增加,机浆配 合点为1,为防止主机超 速必须要减小油门,使机 浆在配合工况点4下工作。
2)船舶纵摇对螺旋 桨扭矩和推力的影响
在风浪天中航行时,为了消 除侧面风对航向的影响, 要采用舵效来补偿,从而 使船舶附体阻力增加,航 速降低。如图为偏舵航行 时航速和推力同舵角的关 系。当舵角为30º ,航速 降为92%额定航速。舵角 对主机转速的影响非常明 显,使用大舵角将使主机 转速比原来转速下降5% 以上。
船舶在风浪天航行时受到的附加阻力:
Δ R=Δ R1±Δ R2
式中Δ R——风浪造成的船体附加阻力;Δ R1——水面 波浪造成的附加阻力;Δ R2——风力造成的附加阻 力,逆风和侧风时为正,顺风时为负。 由于风浪使得船舶阻力增加,从而航速将下降,通常 风浪对航速的影响可用下式表示:
VB= Vs - Δ V
作为试验时的最高转速,在一般 情况下,这个转速范围可保证 主机不超负荷。系泊试验时的 转速也可用排气最高温度来决 定。这个温度不应超过船在全 速航行时的正常排气温度。
2、变速工况
船舶由某一稳定航速过渡到另一稳定航速的机浆配合工况 称为变速工况。航速由零逐渐过渡到某一稳定航速时的 变速工况称为起航工况;而航速由某个较低值变为较高 值或者相反过程的变速工况分别称为加速工况或减速工 况。起航工况也是船舶初速为零的加速工况。 船舶在稳定航行时,进程比为一常数,不论船舶稳定在哪 一航速,只要航行条件不变,船舶阻力特性也就不变机 浆的配合工况点就只能沿一条推进特性曲线变化。而变 速工况是一种动态工况,进程比是变化的,船、浆特性 就不能由一条曲线表示,机浆配合工况点就不能只落在 一条推进特性曲线上。但船、机、浆之间的配合工作必 须根据两个平衡条件来进行,即机浆转矩平衡、船浆的 阻力与推力平衡。
根据以上工况分析,当船舶 装载量或污底程度增加时 应注意不能盲目增大油门 格数,以防主机、轴系超 负荷;而当装载量或污底 程度减小时,则必须降低 油门格数,以防主机超转 速。特别是对于装载量变 化较大的油轮和矿砂船, 在一个往返航行中,经常 是一个航次满载,一个航 次空放。在空放航行时, 定速航行后的油门格数应 比满载时小。
在变速工况的动态过程中,主机供油量的变化可由供油手 柄或调速器在瞬间完成。虽然增压器转子的惯性作用使 得增压器转速的变化速度滞后于供油量的变化速度而影 响主机输出转矩数值,但增压器转子惯性很小,变速时 间仅几秒钟,因此主机的输出转矩在供油量变化后不久 就会迅速变化。根据机浆转矩平衡条件,螺旋浆转速将 随着发生变化。螺旋浆转速的变化引起其所产生的推力 大小的变化,从而根据船浆的阻力与推力平衡关系船的 航速也将随着发生变化。但船的惯性远大于推进系统中 运动部件的惯性,尽管推进系统运动部件的惯性作用使 得机浆转速的变化落后于供油量的变化,但相较于船舶 的惯性,机浆转速的变化速度比船的航速的变化速度为 快,而船的航速因船的惯性变化极为缓慢。因此,可将 船舶的变速过程分为两个阶段,即在船舶的航速没有变 化或没有显著变化下机浆转速的迅速变化阶段和船的航 速与机浆的转速共同缓慢变化阶段。
船舶由深水进入浅水航行时, 由于船体下面水流受到海 2、船舶在浅水与窄航道 底的限制,使船舶周围水 中航行时的工况管理 流从深水的三元流动变为 主要是二元流动,水流与 船体的相对速度增加,船 体周围的水压力发生变化, 形成波浪和涡流,从而引 起摩擦阻力、兴波阻力和 涡流阻力均相对增大。同 时由于水压力变化的影响, 使船舶的吃水差发生变化, 从而产生船体下沉和后倾 现象。船舶在深水和浅水 中航行时,阻力随航速变 化的情况是不同的。
三、船舶在各种运动状态下的工况管理
1、系泊工况
船舶经建造或大修完毕后,在航行试验之前,为了检验主、辅机和 其它设备的运转情况和性能,需要在码头上进行系泊试验。船舶 在系泊不动的情况下,主机和螺旋浆的配合运转工况称为系泊工 况。有时船舶开航前在码头上试车也属于此工况。
这时船速为零,因而螺旋浆进程 比为零,螺旋浆特性曲线明显 较正常稳定航行时为陡,1和2 分别为正常稳定航行和系泊试 验时的螺旋浆特性,3为主机 全负荷特性。船舶正常稳定航 行时,机和桨的配合点为a, 系泊试验时,机和浆配合点为 b。一般取 nb=85-85% nH
3)舵角对航速和推 力的影响
船舶在大风浪天航行时,除 顶风、汹涛、摇摆和用舵 使船舶阻力增加外,因船 尾摇动使螺旋桨周围水区 产生附加扰动,螺旋桨的 推进效率将降低。风浪对 推进装置的综合影响如图 所示,在9级风下,航速 在0.7无风航速时,螺旋 桨的扭矩已达额定值,而 推力则增加50%。
4)风浪对航速和推 力的综合影响
驾驶台要求车速为n1,轮机员若 将主机油门迅速拉到要求车速 (特性4),则螺旋桨工作点 沿p=0上升到点a,这是桨转 速迅速提高的阶段;随后由于 航速增加,使p增大,机桨 配合点沿特性4变化(a—a3), 这是桨转速缓慢提高阶段,这 样车速超过要求,必须减速; 因此通常的操作过程是沿a1-a’ -a2’-a”-a3”-a3”’折线调节逐步 过渡到要求车速。带全制式调 速器的主机,操作上只要将油 门拉到a点,即要求车速处, 随后的过程则按调速特性a-a’a”-a”3’进行。
船在深水中航行的阻力约与 航速的二次方成正比,而 在浅水中航行时阻力的变 化规律很大规则。当航速 V<0.3gh时,浅水阻力与 深水阻力基本相同。当 0.3 gh ≤V< gh时,浅 水阻力约增加2-3倍,水 深h很小时,则可能增加 到5倍以上。当V= gh时, 浅水阻力又与深水相同。 而当V> gh时,浅水阻力 反而小于深水阻力。民用 商船的航速一般小于gh , 因此由深水进入浅水区航 行时,阻力均会增加。
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2)加速工况
减速过快会造成自动停车, 实际操作中应按b-1-23-4-5-c进行。 在变速工况下,对主机油 门的操作应注意不应过 快过急,避免主机和轴 系超负荷和自动停车现 象的发生。程序控制主 机,其加油或减油操作 分级微细,可使主机负 荷和转速的变化过程与 推进特性的过渡过程相 吻合。
驾驶台要求车速nH,若轮机员急 速推动油门手柄来加大油门格 数,则过渡过程沿等航速线和 全负荷特性线a1-B-a进行,使 主机处于超转矩和大负荷低转 速下工作,会使主机受热部件 由于突然受到过大的热负荷而 引起裂纹等故障。此外,如果 过快加大油门,由于增压器转 子的惯性,气缸内短时间内会 出现油多气少的情况,致使燃 烧不良,出现排气冒烟现象。 实际操作应按a1-1-2-3-4-5-6-78-9-a进行。因此,在起航和 加速工况时,轮机员应注意操 作不应过快过急,以防止主机 和轴系超负荷。
实际上,当船从深水进入浅水航 行时,若油门格数不变,主机 的转速和船的航速均会自动下 降,这是阻力增加引起的必然 而正常的现象。此时,切不可 为了保持原航速而盲目加大油 门,以免主机和轴系超负荷。 从图中还可以看出,如果把航 速减慢至V1值,使R2降为R1, 主机和轴系负荷就不会超过允 许值。因此,当船舶由深水进 入浅水航行时,应降低主机油 门格数,使船舶降速航行。
在风浪天航行时,船舶的摇 摆起伏使螺旋桨处于随摇 摆周期而变化的斜水流中 工作,斜水流增加了螺旋 桨的扭矩和推力,其增加 值大小随斜水流的角度和 摇摆周期而变。 例如:排水量为2000t, VS=20节;n=230r/min的 船舶,在6~7级风的海面 航行时,经计算船舶在纵 向摇摆时,螺旋桨的扭矩 和推力的周期性变化如图 所示。
1)起航工况
起航时驾驶台要求较高的 车速n3,若轮机员加油 门过快,即油门拉到要 求车速点b,则会出现主 机和轴系超转矩,以及 主机超负荷;因此,不 可盲目增大油门,而应 按0-a-a1-b1-b2’-b2-b3 即先将油门拉到相应于较 低车速n1处,然后再逐 步加油门过渡到要求车 速,防止主机和轴系超 负荷,尤其是在暖机不 充分的时候更应如此进 行。
此外,需要特别指出的是, 在大风浪天航行的船舶, 由于强烈的纵摇,螺旋浆 则可能不同程度的露出水 面,使阻力矩大为降低, 螺旋浆特性曲线变得极为 平坦,此时必须及时减小 油门以防止主机产生飞车 现象。所以在大风浪航行 时应把调速器的设定转速 降低,并根据实际情况增 加船舶压载,以避免发生 重大事故。
当装载量减小(吃水减少)或船体 污底程度变轻(刚坞修后)时, 船舶阻力将减小,而使船舶航 速增加,螺旋浆的特性曲线变 得平坦(曲线III),机浆配合 点为d。在此工况点下工作, 主机转速增大。这时虽然主机 仍在全负荷特性1上工作,没 有超机械负荷,但主机转速却 超过了额定转速,致使机械效 率下降,运动部件惯性力增加, 部件磨损加剧,工作循环次数 增加,从而使气缸内平均温度 增大,气缸的热负荷则可能超 过允许值。这时为了使转速不 致过高,必须减小油门格数, 使主机按部分特性2工作,机 浆的新配合点变为c点。
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