船舶动力装置技术管理课件 第三章 推进装置的工况配合特性

由图可知： a. v 0.3 gh 时 ，浅水阻力=深水阻力 b.
0.3 gh v gh 时 ,浅水阻力>深水阻力
c.
v gh 时 ,浅水阻力<深水阻力
所以，当船舶进入浅水时，应适当减速，防止阻力增加。 例如，当
v 0.6 gh 时,R=R2—浅水
若v=v1 时 ,R=R1，与深水阻力相同
平衡方程式
dvs 0 dt
稳定工况下
dne 0 dt
Te R
Me M p Mm
船机桨的相互作用和螺旋桨的选配
船、机、桨的特性 船、机、桨的相互作用 航速与转速的转换关系 螺旋桨的选配
航速与转速的转换关系
稳定工况下航行时，R=Te J变化不大 由J=vp/(Dn)可得出结论：
系 泊 工 况
起 航 加 速 工 况
转 向 工 况
拖 曳 工 况
紧 急 倒 航 工 况
系泊工况
V=0,J=0, 桨特性线最陡，见图13 常规要求： n正=(0.8~0.85)nb 运行2h，排烟温度正常 n倒=(0.7~0.80)nb 运行0.5h，排烟温度正常
图13 系泊实验时的螺旋桨特性
船舶在各种运动状态下的工况配合特性
图2 增压柴油机正常典型工作范围图
柴油机安全经济可靠的工作范围
机桨的相互作用和螺旋桨的选配
船、机、桨的特性 船、机、桨的相互作用 航速与转速的转换关系 螺旋桨的选配
船机桨系统的特点
a.存在机械连接 b.存在液力相互作用 c.能量转换关系：
主机
d.相互制约
螺旋桨
船体
平衡方程式
船体的力平衡方程式
重载、污底、逆风、逆流、拖曳、 系泊、转弯工况
轻载、顺风、顺流工况
汹涛的影响
大风浪中航行时，螺旋桨的扭矩和推力周期性变化 见图10 注意事项：适当减小油门，防止飞车和超扭矩、超负荷 偏舵航行对航速和推力的影响 见图11
图10 船体产生摇摆和起伏而引起汹涛阻力
△Mb-扭矩增额 △ Te-推力增额
柴油机推进特性
柴油机按螺旋桨特性工作的特性规律。 即，Pe=C· 3 n
柴油机的工作范围
增压柴油机正常工作范为例见图2
持续工作范围： 最大发动机转速 最大发动机扭矩 增压器喘振线 最低稳定转速 最小发动机扭矩
短期运行工作范围： 超负荷工作范围 超转速工作范围 加速时短期使用工作 范围 机动操纵低速运转使 用工作范围
工作指标和性能参数随转速而变化的规律
Pe=C ·pe · · n i 式中: C —与柴油机结构形式有关的系数 pe—平均有效压力 n —转速 i —气缸数 当喷油量一定时，pe一定，i、C一定，则Pe与n为直线关系，且过原 点和（Pb,nb）
即，轴上扭矩为常数
Pe C Pe n i M 常数 2 n / 60
系 泊 工 况
起 航 加 速 工 况
转 向 工 况
拖 曳 工 况
紧 急 倒 航 工 况
主机操作方式
a.设极限调速器： n由人工控制油门，极限调速器控制飞车转速 b.设全制式调速器： 作极限调速器使用，与a所述相同 作全制式调速器使用，n由调速器控制油门+油门限制 c.设加速程序（遥控）：n由程序控制
Chapter 3
推进装置的工况配合特性
Characteristics of Ship Propulsion Installation at Different Working Condition
推进装置的工况配合特性
第一节
船、机、桨的相互作用和螺旋桨的选配
第二节
各种航行条件下推进装置工况配合特性
船机桨的相互作用和螺旋桨的选配
船、机、桨的特性 船、机、桨的相互作用 航速与转速的转换关系 螺旋桨的选配
船机桨的相互作用和螺旋桨的选配
船、机、桨的特性 船、机、桨的相互作用 航速与转速的转换关系 螺旋桨的选配
船舶阻力特性
基本阻力R（静水、满载、直航、稳定航行） a.摩擦阻力R1(粘滞阻力） R1 ∝V1.83(商船占80%R，高速船占40%R) b.形状阻力R2（压力阻力，涡流阻力） R2 ∝ V2(商船占10%R) c.兴波阻力R3 R3 ∝ V4~6（商船占10%R,高速船占50%R以上） 通常，对于商船：R ∝ V2
起 航 加 速 工 况
转 向 工 况
拖 曳 工 况
紧 急 倒 航 工 况
转向工况
单桨：由于偏舵和斜水流的作用，R增加，船速下降， J下降，特性线变陡， 若设全制式调速器，则自动加油，应注意防止超负荷 一般由油门限制杆限制 若油门不变，则转速下降，此时不能盲目加油门，防止超负荷
双机双桨：两桨均在斜水流中，hp内<hp外， J内ຫໍສະໝຸດ BaiduJ外，内桨特性比外桨陡 若油门不变时，则n内<n外 测试结果见图17 外桨负荷的变化：开始下降，接着增加 内桨负荷的变化：始终增加
推进装置的工况配合特性
第一节
船、机、桨的相互作用和螺旋桨的选配
第二节
各种航行条件下推进装置工况配合特性
The interactions among the ship’s hull, main engine, propeller and the selection of the propeller
图11 舵角对航速和推力的影响
船舶由深水进入浅水和在窄航道中航行施工 况配合特性
阻力与船速的关系见图12
1、由深水进入浅水 浅水：h/d<4 (h:水深 d:吃水) 船体周围水流动由三元变为二元 相对速度↑：摩擦阻力↑ 、涡流阻力↑ 、兴波阻力↑
图12 在浅水和深水航行时船速对阻力的影响
1-深水阻力曲线 2-浅水阻力曲线
vp∝n
船机桨的相互作用和螺旋桨的选配
船、机、桨的特性 船、机、桨的相互作用 航速与转速的转换关系 螺旋桨的选配
配桨原则
满足船舶所要求的航速和较高的螺旋桨效率 使柴油机的功率得到充分利用 使柴油机在全部运转范围内不超过允许的功 率范围
功率储备
标定功率与配桨功率的差 发动机功率储备 船体状态储备 航行条件储备
图17 双机双桨船转向时内外机的负载变化
船舶在各种运动状态下的工况配合特性
系 泊 工 况
起 航 加 速 工 况
转 向 工 况
拖 曳 工 况
紧 急 倒 航 工 况
拖曳工况
配合特性见图18
自航（无拖曳） 按I，A线工作 拖曳： T=R+Z (Z：拖曳力) 按II，B线工作 v越低，桨的特性线越陡，拖曳力越大，主机功率 越发不足
图16 减速工况
调速器控制油门（遥控）
a.启航 油门自动变化过程：4-4 ’ -4’ ’ -4’ ’ ’ 工作点变化过程：a-a’-a’’-a3’’’ b.加速 按程序控制加速 c.减速 第一阶段，减油至nc， 第二阶段，自动加油，稳定在nc左右
船舶在各种运动状态下的工况配合特性
系 泊 工 况
变工况特点
T不等于R，V,n,R,T,J,K1,K2螺旋桨特性时刻在变
船舶惯性相对大，机、桨、增压器等惯性相对小
油门改变后，n变化快，v变化慢
人工控制油门－启航工况
驾驶台要求n=n1, 见图14 第一阶段：n迅速增加阶段，v不变，J=0 启动：油门在4，工作在a点，n=n1 第二阶段： n缓慢增加阶段，v逐渐增加，J逐渐增加， K1,K2逐渐减小 若油门不变，工作点的变化a-a1-a2-a3 n=n1’ >n1 正确操作： 油门的变化：4-4 ’ -4 ’ ’-4’ ’’ 工作点的变化：a-a1-a’-a2’-a’’-a3’’-a3’’’ 驾驶台要求n=n3 不正确操作：0-b 正确操作：0-a-a1-b1-b2’-b2-b3
图18 拖曳作业时配合特性
拖曳工况
调距桨可克服功率发不足的缺陷 定距桨的设计： 按自航选桨时，自航功率可发足，但拖曳时桨重， 易超负荷；相当于R增加。 按拖曳作业选桨时，拖曳时功率可以发足，但自航 时，桨轻，易超速，相当于R减小。 常规设计，介于上述两者之间，两种工况均发不足，但偏差小。 最佳方案：调距桨，功率在任何工况下都可发足。
推进装置的工况配合特性
第一节
船、机、桨的相互作用和螺旋桨的选配
第二节
各种航行条件下推进装置工况配合特性
The matching characteristic of the propulsion installation at the different underway conditions
船舶阻力改变时的工况配合特性
配合特性见图9
增加：如船舶污底（船舶水 下部分表面附着了海生物以及发 生锈蚀）、超载、逆风等。 注意事项：防止超负荷，任何情况油门不得超过标定油门
减小：如，轻载、顺风、顺流等。 注意事项：防止超速，任何情况下不得超过标定转速
图9 船舶阻力改变时工况配合特性
I-阻力正常情况下螺旋桨特性曲线 II-阻力增加情况下螺旋桨特性曲线 III-阻力减小情况下螺旋桨特性曲线 1-主机全负荷速度特性曲线 2-主机部分负荷速度特性曲线
dvs m Te R dt
螺旋桨力矩平衡方程式
2 J
dnp dt
Me M p Mm
平衡方程式
m—船舶质量 vs—船舶的航行速度 ∑Te—螺旋桨的总有效推力 R—船舶运动阻力 np—螺旋桨的转速 ∑J—主机、减速器和轴系的回转质量折合到尾轴中心线的转 动惯量以及螺旋桨的转动惯量 Me—主机的扭矩 Mp—作用于螺旋桨的水动力矩 Mm—轴系、减速器和联轴器的摩擦力矩
M=CM · 2 --kn · （CM为常数） n m
PP=M · 2π · n/60 =CP · 3 --kW (CP为常数） n 推进特性曲线见图1
图1 螺旋桨特性曲线
实线——PP=f(n)的特性曲线 虚线——Te(Q)=f(n)的特性曲线
柴油机 速度特性
推进特性 工作范围
速度特性（也称外特性）
图14 起航工况配合特性
人工控制油门－加速工况 （定速）
参见图15
由na→nb 不正确的操作：a1-B-a 正确操作：a1-1-2-3-4-5-6-7-8-9-a
图15 加速工况
起航加速工况配合特性
人工控制油门－减速工况
由nb →nc
见图16
第一阶段：n迅速降低阶段 减油至nc，v不变，J增加， K1、K2下降，特性线变平坦 第二阶段：n缓慢降低阶段 J缓慢减小，K1、K2缓慢增加，特性线逐渐变陡 不正确操作：油门不变，转速逐渐下降，直至停车 正确操作：逐渐增加油门，维持n=nc，由B → C 过渡时间短。 若按b-1-2-3-4-5-C，则过渡时间较长。
船舶由深水进入浅水和在窄航道中航行施工 况配合特性
2.窄水道
窄水道：b/B<20 (b:航道宽 B:船宽) 且b/B>20时，无窄水道影响
v 0.5 gh
船舶在各种运动状态下的工况配合特性
系 泊 工 况
起 航 和 加 速 工 况
转 向 工 况
拖 曳 工 况
紧 急 倒 航 工 况
船舶在各种运动状态下的工况配合特性
速度特性（也称外特性）
全负荷速度特性（也称额定外特性） 油泵油量调节机构固定在标定功率的供油量下，工作 指标和性能参数随转速而变化的规律。 超负荷速度特性 使n=nb，发出110%Pb的功率，固定油量调节机构，测取 的工作指标和性能参数随转速而变化的规律。 规范要求：每12小时允许运行1小时，且不冒黑烟 部分负荷速度特性（也称部分外特性）
约定最大持续运转功率（约定MCR、CMCR）
船东和船厂商定的在船上 实际应用的最大持续运转功率
实例
Sulzer RTA型柴油机的配桨图见图3
Pielstick中速机与螺旋桨的选配见图4
图3 RTA柴油机的配桨特性
图4 PC2-5中速机的配桨特性
典型推进装置的机桨配合特性
双机单桨配合特性见图5 四机单桨配合特性见图6 双机双桨配合特性见图7 主机+轴带发电机联合工作机桨配合特性见图8
图5 双机并车的机桨配合特性
PP-推进特性曲线 1-1台主机的外特性曲线 2-2台主机的外特性曲线
图6 多机单桨配合特性
I-螺旋桨推进特性曲线 1、2、3、4-与主机所运 行的台数相应的组合外特 性曲线
图7 双机双桨推进装置机桨配合特性
图8 增压柴油机驱动螺旋桨和轴带发电机 （不变负荷）
1-螺旋桨负荷 2-螺旋桨 + 轴带发电机 3-柴油机工作范围限制线
螺旋桨的推进特性
螺旋桨的推力：
T K1 n 2 D 4 [ N ]
2 5 螺旋桨的阻力矩： M K2 n D [ N m]
螺旋桨的效率：
进程比：
K1 J p M K2 2
hp D vp nD
Tv p
J
螺旋桨的推进特性
稳定航行时， n一定，v一定，J一定，ρ一定，K1、K2一定 则 T=CT·2 --kn n （CT为常数）