动力装置典型配合课件

第5章 船、机、桨工况配合特性 一、研究船、机、桨工况配合的目的 二、船、机、桨三者的关系 三、研究船、机、桨配合的原则和方法 四、研究的范围 1、工况配合的分类和研究范围 1）稳定（静态）工况时的配合特性 （1）设计工况时的配合特性 （2）非设计工况时的配合特性 2）过渡（动态）工况时的配合特性 （1）起航、加速工况时的配合特性 （2）转向工况时的配合特性 （3）倒车工况时的配合特性 2、稳定（静态）工况的含义 5-1 船、机、桨工况配合概述 第5章 船、机、桨工况配合特性 一、研1船、机、桨稳定（静态）工况配合曲线船、机、桨稳定（静态）工况配合曲线2 一、设计工况时的配合特性 功率转速（航速）坐标系 1、工况配合特性曲线图的构成 5-2 单机、单桨推进装置工况配合特性（稳态）（以直接传动为例）一、设计工况时的配合特性 5-2 单机3设计工况配合特性曲线图（1）设计工况配合特性曲线图（1）4设计工况配合特性曲线图（2）设计工况配合特性曲线图（2）5设计工况配合特性曲线图（3）设计工况配合特性曲线图（3）6 2、设计工况配合特性分析与讨论 1)A点为船、机、桨的设计工作点，在A点航行时的航速为设计航速。（1）桨在设计状态下工作，具有最佳效率。（2）柴油机在额定负荷（MH)和额定转速（nH）下运行，发出额定功率（NeH)，桨收到主机的全部功率，主机的功率被充分利用，耗油率（ge）低。（3）船以设计航速航行，船、机、桨实现最佳配合，推进装置获得最高效率。2）C为高于设计航速（VsH）的工作点，即VsCVsH。（1）船、机处于设计载荷时的特性线1BA上，阻力特性不变（J不变）,螺旋桨效率等于设计效率。（2）柴油机为适应螺旋桨的需要，增加负荷（加大喷油量）和提高转速，超负荷运行，工作状态变化，性能下降（影响寿命），故只能在特殊情况下短期运行。2、设计工况配合特性分析与讨论7 3）B为低于设计航速（VsH）的工作点，即VsHVsB。(1)船、桨特性不变（J不变），螺旋桨效率等于设计时的效率。（2）主机处于部分负荷下工作（如4B特性线），主机的功率不能充分利用，耗油率（ge）上升，效率也降低。4）在设计工况下（即设计载荷下），船舶增速受主机超额转速和超额功率的限制；船舶低速航行，则受主机最低稳定转速和最低负荷的限制。3）B为低于设计航速（VsH）的工作点，8 二、非设计工况时的配合特性 功率转速（航速）坐标系 1、工况配合特性曲线图的构成 二、非设计工况时的配合特性9非设计工况配合特性曲线图非设计工况配合特性曲线图10 2、非设计工况配合特性分析与讨论 1）螺旋桨沿着重载工况推进特性线3B1曲线工作时，受主机额定转矩的限制，只能沿着额定负荷特性线2BA曲线工作，机、桨配合工作点为B。（1）螺旋桨离开设计条件，效率降低。（2）主机转速被迫下降，虽然发出额定转矩，但功率未达到额定值，效率降低（ge上升）。(3)船速降低。（4）结果是推进装置的功率不能全部利用，经济性降低，航速减慢。2）螺旋桨沿着轻载工况推进特性线4C曲线工作时，受主机额定转速的限制，机、桨配合工作点只能平衡于C点。（1）螺旋桨离开设计条件，效率降低。（2）主机受额定转速的限制，只能按部分负荷特性线5C曲线工作，虽然转速达到额定值，但发不出额定功率。2、非设计工况配合特性分析与讨论11 （3）航速稍有升高，因为J2J0,并且nc nH。（4）结果是机、桨性能下降，主机的功率未能全部被利用，推进装置的经济性降低，航速稍有升高。4）在非设计工况下（即非设计载荷下），主机额定功率未能全部被利用的原因是：当轻载工况时，受主机额定转速的限制，转矩未达到额定值；当重载工况时，受主机额定转矩的限制，主机转速未达到额定值。三、结论 1、单机、单桨直接传动推进装置只有一个最佳配合工作点，即在设计载荷时的设计工作点（A)。2、在非设计工作点工作时，推进装置功率不能全部利用，综合效率下降，经济性变坏。3、因此，这种推进装置对工况和载荷多变的船舶不太适应，而对工况稳定的（如海洋和沿海运输）船舶，则能发挥其优越性。（3）航速稍有升高，因为J2J0,并且nc 12 四、主机轴带负荷式 1、目的:a)节能;b)减少机电设备的规模和数量;c)降低初投资。2、工况配合特性分析与讨论 3、剩余功率的概念 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）4、剩余功率的表达式 1)转速为n时的余功 N=Ne-Np=NeH(n/nH)-NeH 2)最大余功的表达式及此时的转速 令 N=NeH(n/nH)-NeH =0 （对转速n求导）四、主机轴带负荷式13 得到：NeH-3NeH =0 3 =1 n/nH=n=0.577nH （最大余功时的转速）Nmax=NeH(0.577nH/nH)-NeH =NeH(0.577-0.192)=0.385NeH （最大余功）得到：NeH-3NeH 14 剩余功率的概念及其范围 剩余功率的概念及其范围15 一、条件与假设 1、不考虑传动损失，即c =0 ；推进效率t=1。2、运动一至，能量守恒。对船、桨有：2Pe=R,2Np=NR;对机、桨有：np=ne,Mp=Me,Np=Ne。二、工况配合特性曲线图的构成 功率转速（航速）坐标系 5-3 双机、双桨推进装置工况配合特性（稳态）（以直接传动为例）一、条件与假设 5-3 双机、双桨推16双机、双桨工况配合特性曲线图双机、双桨工况配合特性曲线图17 三、设计载荷下的工况配合特性分析 1、在A0点航行；船以设计航速航行，船、机、桨实现最佳配合，推进装置获得最高效率。2、在A-B段航行时；船速比较低。3、在B-1段航行时；船速更低。1）双桨同时工作；2）单桨工作（拖桨工况）。KQ=Q/三、设计载荷下的工况配合特性分析18 四、讨论及应用意义 从低航速的要求与柴油机的负荷和转速的关系来考虑：假设：当航速降至40%的设计航速时：1、双桨同时工作时，每台机的负荷大约为：Ne=2、单桨工作时，工作机的负荷大约为：Ne 26.4%NeH，即Ne12.8%NeH。四、讨论及应用意义19 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：5-4 海上功率储备和主机选型 一、海上功率储备 5-4 海上功率储20 设有一顶推轮，拖曳速度为13km/h,经螺旋桨初步设计并考虑10%的海况储备后得；CMCR=1500kw,nCMCR=500r/min，i0=1.83(齿轮箱的速比已选定)，螺旋桨要素（D,H/D,AE/A0,Z）=(1.7m,1.2,0.57,4),可供选择的主机参数如下表，问A,B和C哪台机符合要求？设有一顶推轮，拖曳速度为13km/h,经螺旋21 机型参数 A B CMCR(kw)1500 1600 2100nmin(r/min)600 700 700 机型22 设MA,MB,MC分别是三台机扣除10%储备后螺旋桨设计扭矩（即可供给螺旋桨的扭矩），所以有：MA=(0.9NA/nA)i0=(0.91500/600)(60/2)1.83 =39.34 kN.m MB=(0.9NB/nB)i0=(0.91600/700)(60/2)1.83 =35.97 kN.m MC=(0.9NC/nC)i0=(0.92100/700)(60/2)1.83 =47.21 kN.m 要求的螺旋桨设计扭矩为：M0=(0.9N0/n0)i0=(0.91500/500)(60/2)1.83 =47.21 kN.m 因此只有C机满足要求。（但主机功率富余量较大，在设计工况主机的功率和转速均未达到额定值，初投资增加了。）如果要选用A机或B机，则必须修改减速比（螺旋桨设计参数不变）。设MA,MB,MC分别是三台机扣除10%储23 因为螺旋桨设计为：np0=nCMCR/i0=500/1.83=273.22 r/min 如果选用A机，则：iA=nAMCR/np0=600/273.22=2.196 （此时，MA=47.208 kN.m，最合适。）如果选用B机，则：iB=nBMCR/np0=700/273.22=2.562 （此时，MB=50.358 kN.m，偏大。）3、齿轮箱减速比选择问题以上例的A机为对象，在不重新设计螺旋桨的情况下：1）如果选择的齿轮箱减速比i1 iA（2.196）,对A机来说，螺旋桨显得“重”了。2）如果选择的齿轮箱减速比i2iA（2.196）,对A机来说，螺旋桨又显得“轻”了。分析如下：因为螺旋桨设计为：3、齿轮箱24 分析如下：及Mp=iMe 在不修改螺旋桨要素时，其KQ，D都为常数，也为常数。于是对同一主机的转速neA时，所需的主机输出扭矩Me与速比呈反比关系，如下图所示：分析如下：25动力装置典型配合课件26 述引：在分析定矩桨推进装置的工况配合特性后可知：1）当船舶在的稳定设计满载工况下航行时，主机能发出全部功率额定扭矩(MeH)和额定转速（nH），船舶则达到额定（设计）航速；2）当船舶转入轻载工况下航行时，主机不能发出额定扭矩(MeH)是受额定转速（nH）的限制，因此发不出额定功率。3）当船舶转入重（超）载工况下航行时，主机受额定扭矩(MeH)的限制，达不到额定转速（nH），也发不出额定功率。5-5 可调桨推进装置工况配合特性 述引：5-5 可调桨推进装置工况配合27 定矩桨推进装置在船舶偏离设计工况时，不能发挥主机的全部功率。其原因从螺旋桨原理来分析则是工况变化时，船速发生变化，螺旋桨的水流有效冲角k发生了变化，使螺旋桨上的水动力扭矩M与柴油机的额定扭矩(MeH)不平衡。如果能通过调整螺矩大小，保证k大小不变，则可保证M=MeH，于是就出现了可调螺矩螺旋桨，较好地解决了上述问题。一、概念 根据螺旋桨螺矩的不同特征有：1）可调螺矩螺旋桨；2）可控螺矩螺旋桨；3）变螺矩螺旋桨；4）定螺矩螺旋桨；5）可变螺矩螺旋桨。定矩桨推进装置在船舶偏离设计工况时，不能发挥28 二、可调桨的工作特性 1、定螺矩螺旋桨的水动力特性：只有一组工作曲线，如下图所示。由图可知:定螺矩螺旋桨的进速系数J与推力系数KT和扭矩系数KQ一一对应。二、可调桨的工作特性29定螺矩螺旋桨的水动力特性图定螺矩螺旋桨的水动力特性图30 2、可调螺矩螺旋桨的水动力特性：可调螺矩螺旋桨可视为一系列同一直径的具有不同螺矩比的定螺矩螺旋桨的组合，因此，它的工作曲线为一簇。这样，在相同的进速系数J下，有无数个推力系数KT和扭矩系数KQ与之对应。其工作曲线如下二图所示：2、可调螺矩螺旋桨的水动力特性：31动力装置典型配合课件32p=p=33动力装置典型配合课件34 故可调螺矩螺旋桨的推力和扭矩不仅随转速而变，同时也随着螺矩比的改变而变化。其函数关系如下：即当J一定（J=常数）时，根据螺旋桨水动力特性方程式和水动力特性曲线图，可知：P=f(n,KT)，又 KT=f(H/D)，M=f(n,KQ)，又 KQ=f(H/D)，P=f(n,H/D)，同理：M=f(n,H/D)。可调螺矩螺旋桨所有的工作特性都是基于其螺矩比(H/D)可变的原因。故可调螺矩螺旋桨的推力和扭矩不仅随转速而变，同时也随35 3、可调桨的工作特性 1）KQ=常数时，表明在任何航速（工况）下均可充分利用主机的全部功率。KQ=常数即表示在KQJ曲线图上为一条直线，如下工作曲线图所示。3、可调桨的工作特性36动力装置典型配合课件37 由于：所以，当n及D已给定，KQ=常数时，即代表Ne一定。又因为J=Vp/nD，所以 J即能代表Vp,因此这一曲线（直线）表明了在任何航速（工况）下均可充分利用主机的全部功率。并可概括如下：n=常数，Ne=常数，可得一常数KQ，而Vs(或J)变化，H/D变化。由于：所以，当n及D已给定，K38 2）船舶在任何工况下均可保持机桨转速（或航速）恒定。根据螺旋桨水动力特性方程式可知：对可调桨来讲有P=f(n,H/D)又根据“螺旋桨法则”：（1）螺旋桨转速与船航速成正比关系；（npVs）(2)螺旋桨推力和扭矩与船航速的平方成正比关系；(3)螺旋桨吸收功率和轴功率与船航速的立方成正比关系。2）船舶在任何工况下均可保持机桨转速（或航速39动力装置典型配合课件40动力装置典型配合课件41 由上曲线图可以得出可调桨下列特性。（1）在给定转速（n=C）下，在此曲线上可得到任一航速。使用意义：a.恒速运转轴带负荷（如发电机）；b.主机不反转，船可实现由正航最大航速到倒航最大航速的航行。（见下推导）注：可调桨同一个J时代表的工况（载荷）不是唯一的，这是与定螺矩螺旋桨不同的。由上曲线图可以得出可调桨下列特性。42 （2）在给定的航速（Vs=C）下，在此曲线上可找到螺旋桨效率最高的螺矩比和相应的转速。使用意义：a.在同样的航速（Vs=C）下，可减少轴功率。并可得到p=f(n)的曲线。b.在同样的航速（Vs=C）下，有各种不同的n和H/D的配合，来满足所需的功率，因此，可找到发动机与之对应的功率和转速。并可得到e=f(n)的曲线。c.推进装置的效率取决于e和p的乘积，因此，就可找出一个极值点，即为机、桨最佳配合点。（对应的功率、转速和螺矩比都可求出）（2）在给定的航速（Vs=C）下，在此曲线上可找到螺旋43 （3）在给定的航速（Vs=C）下，可通过不同的转速来达到。使用意义：a.可避免发生共振（临界转速）；b.船可实现微速航行或原地不动而主机仍可连续运转。（如用于拖网鱼船、消防船等）（3）在给定的航速（Vs=C）下，可通过不同的转速来达44