动力装置课件(3~4).ppt

,船舶动力装置课件 （34）,吕庭豪 设计 2003年12月,一、作用 1、传扭 2、配速 3、换向 4、功率分支与节能 二、齿轮箱的配置方案 1、速比和级数 速比:输入轴转速n1与输出轴转速n2之比。 i=n1/n2 级数：柴油机动力装置用单级或双级 燃气轮机动力装置用23级或多级 2、柴油机动力装置中单机单桨减速器配置型式 带换向级： 1）同心传动 2）角向异心传动 3）垂直异心传动 4）水平异心传动,第3章 推进装置的主要传动设备,3-2 船用齿轮箱,不带换向级： 5）同心传动，不带换向级 6）垂直异心传动，不带换向级,1）二级减速带换 向级，输入轴和输出轴同心，转向相同。,2）一级减速带换 向级，输入轴和输出轴角向异心，转向相反。,3）一级减速带换 向级，输入轴和输出轴垂直异心，转向相反。,4）一级减速带换 向级，输入轴和输出轴水平异心，转向相反。,5）二级减速不带换向级，输入轴和输出轴同心，转向相同。,6、一级减速不带换向级，输入轴和输出轴垂直异心，转向相反。,GWC系 列齿轮 箱展开 剖视图,3、双机并车齿轮箱 1）结构型式 三齿轮传动 五齿轮传动 2）系列标准 L标准系列按中心距分档：900，1000，1120，1250，1400， 1600，1800，2000，2250。 3）生产厂家 4）选用方法,三、几种常用的减速齿轮箱及选用方法 1、国产齿轮箱概况 a、用于中速柴油机的三个系列标准 C系列垂直异心传动 S系列水平异心传动 T系列同心传动 b、倒顺离合减速器 c、其他型号的齿轮箱 主要用于与中、小型柴油机配套 2、齿轮箱选用方法 利用容量图,四、齿轮箱的主要技术指标 （选用齿轮箱应注意的问题） 1、额定功率NH和额定转速nH； 2、额定扭矩MH； MH=9.55 NH/nH ( KN.m) 3、减速比i； i=n1/n2=Z2 /Z1 4、额定传递能力； 即 NH/nH是齿轮箱工作能力大小的技术指标，是选用齿轮箱的重要依据之一。 5、输入轴与输出轴之间的中心距； 6、额定承受螺旋桨推力； 7、输入轴与输出轴的转向。 输入轴转向应与发动机输出轴转向一致，输出轴转向应与螺旋桨转向一致。,第4章 船舶柴油机,一 柴油机的主要部件及常用名词 柴油机根据其工作原理的不同，可分成四冲程柴油机和二冲程柴油机两大类。这两类柴油机在结构上有一定的区别。 1、四冲程柴油机的主要部件 如图4-1所示，它包括 ：,4-1 柴油机的基本构造和工作原理 柴油机是以柴油为燃料，且燃料在机器内部（气缸中）经过燃烧，将化学能转变为热能，并以燃气为工质，再将热能转变为机械功的一种内燃式热力发动机。由于它热效率高，经济性好，使用安全可靠，因此，无论在陆地上或船舶上都获得了广泛的应用。,1）固定部件 机座1、机身 4、主轴承 3、气缸套 6、气缸盖7等。 2）运动部件 活塞8、活塞销 9、连杆 10、连杆螺栓 11、曲轴13等。 3）配气机构 凸轮轴14、顶杆15、摇臂 16、进气阀 17、排气阀 18、气阀弹簧19等。 4）燃油系统 高压喷油泵 20、高压油管 21、喷油器2等。 5）辅助部件 进气管5、排气管12等。 此外，柴油机还必须具备润滑、冷却、操纵控制、调整、传动机构等系统的零部件。,图4-1 四冲程柴油机的主要部件,1-机座； 2-喷油器; 3-主轴承； 4-机身； 5-进气管; 6-气缸套; 7-气缸盖； 8-活塞； 9-活塞销； 10-连杆; 11-连杆螺栓; 12-排气管; 13-曲轴; 14-凸轮轴; 15-顶杆； 16-摇臂； 17-进气阀; 18-排气阀; 19-气阀弹簧； 20-高压喷油泵； 21-高压油管。,2、二冲程柴油机的主要部件 如图4-2 所示，它包括： 1）固定部件 机座1、主轴承 2、机架 3、导板 4、扫气箱 5、气缸体 7、气缸盖6等。 2）运动部件 活塞8、活塞杆 9、十字头 10、连杆 11、曲轴12等。 3）配气机构 凸轮轴15、凸轮轴传动链 16、排气转阀17等。 4）燃油系统 喷油泵18、高压燃油管 19、喷油器20等。 5）增压系统 增压器21、单向阀14、空气冷却器13等。 此外，它也具备润滑、冷却、传动机构、操纵调节等系统。,图4-2 二冲程柴油机的主要部件,1-机座； 2-主轴承； 3-机架； 4-导板； 5-空气箱； 6-气缸； 7-气缸体； 8-活塞； 9-活塞杆； 10-十字头； 11-连杆； 12-曲轴； 13-空气冷却器； 14-单向阀； 15-凸轮轴； 16-凸轮轴传动链； 17-排气转阀; 18-喷油泵； 19-高压柴油管； 20-喷油器； 21-增压器。,3 常用名词述语 柴油机根据其活塞在气缸中所处的位置不同，通常采用下列名词述语：（如图4-3所示） 1）上止点 活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置，俗称上死点。 2）下止点 活塞在气缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置，俗称下死点。 3）冲程（行程） 指活塞从上止点到下止点间的直线距离，常用S表示。它等于曲柄半径R的两倍（S=2R）。活塞移动一个冲程相当柄曲转动180。 4）缸径 气缸内径，常用D表示。 5）压缩容积 活塞在气缸内位于上止点时，在活塞顶上的全部空间（活塞顶与气缸盖底面之间所包含的空间），称为压缩容积，以Vc表示。,6）气缸工作容积 活塞在气缸中从上止点移到下止点时所经过的空间。又称为活塞排量，以Vs表示（图1-13）。 7）气缸总容积 活塞在下止点时，活塞顶以上的气缸全部容积叫做气缸总容积，以Va 表示。,图4-3 气缸容积,1、 四冲程柴油机工作原理 1) 工作循环过程,柴油机的循环是通过进气、压缩、工作（燃烧及膨胀）、排气四个过程来实现的。这样四个连续的过程就称为柴油机的一个工作循环。四冲程柴油机的一个工作循环是在活塞的四个冲程（即曲轴旋转两周）内完成的。 图4-4 所示的四个简图，分别表示四冲程柴油机四个冲程进行的情况和活塞等部件的有关动作位置及PV图上的表示线段。 第一冲程进气冲程，曲柄转角 表示进气过程。 第二冲程压缩冲程，压缩过程用曲柄转角 表示。 第三冲程工作（燃烧及膨胀）冲程，工作（燃烧与膨胀）过程用曲柄转角 表示。 第四冲程排气冲程，排气过程用曲柄转角 表示。,二 柴油机的工作原理,图4- 4 四冲程柴油机工作原理 1-进气阀；2-排气阀；3-喷油器；4-连杆；5-曲轴；6-活塞,第一冲程进气冲程，曲柄转角 a-b 表示进气过程。,第二冲程压缩冲程，压缩过程用曲柄转角 b=c 表示。,第三冲程工作冲程，工作过程用曲柄转角 c-d-e 表示。,第四冲程排气冲程，排气过程用曲柄转角 e-f 表示。,2） 工作循环特点 a) 四冲程柴油机完成一个工作循环，曲轴回转两周，活塞移动四个冲程完成。 b) 每个工作循环中只有工作冲程（燃烧及膨胀冲程）是做功的，在这个冲程里完成了燃料化学能转变为热能和热能转变为机械功的两次能量转换。 c) 其它三个冲程都是为工作冲程作准备，都需要外界供给能量，因此柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、排气冲程所需的能量可由其它正在工作冲程的气缸供给。如果是单缸柴油机，则可由较大的飞轮供给，即在工作冲程时，柴油机带动飞轮旋转加速，依靠飞轮的旋转惯性，带动柴油机完成其它三个冲程。,2. 二冲程柴油机工作原理 二冲程柴油机把进气、压缩、燃烧及膨胀、排气过程紧缩在活塞的两个冲程内完成，使曲轴每旋转一周就完成一个循环。,1) 基本原理 二冲程柴油机的特点是没有专门的排气冲程和进气冲程，它的排气与进气是在膨胀冲程末及压缩冲程之初进行的，其废气的排出除了一部分自由泄放外，剩余部分则是靠压入气缸的新鲜空气来把废气扫出去的。为此，必须采用专设的扫气泵，以便增加进入的新鲜空气压力，以将剩余废气扫出气缸，这个过程就称为“换气过程”又叫“扫气过程”。扫气泵可采用罗茨泵、活塞泵等。由于采取扫气代替柴油机活塞来完成进、排气过程，因此每一个工作循环减少了两个辅助冲程，能在每两个冲程内得到一个做功冲程，这就大大提高了柴油机做功能力。 2) 扫气方式 按照扫气方式的不同，二冲程柴油机又在几种形式，常见的有直流扫气和横流扫气（如图4- 5所示，a直流扫气b横流扫气）。,图4-5 a)直流扫气 b)横流扫气,3) 工作循环过程（直流扫气二冲程柴油机 ） 第一冲程扫气及压缩。活塞自下死点向上移动时活塞在遮住扫气口之前，扫气空气通过扫气口进入气缸，扫气空气是由柴油机带的扫气泵供给的。气缸中残存废气被扫气空气从排气阀中排出。活塞继续上行，先遮住扫气口（曲柄在点的位置），空气停止充入，接着排气阀关闭（曲柄在点a的位置），气缸中的空气就开始被压缩，压缩至上死点（点b）前一些（点）喷入燃油，燃油在高温高压下自行发火燃烧。 第二冲程燃烧膨胀及排气。活塞在燃气的高压作用下向下 运动，由于气缸容积增大，压力开始下降，在上死点后某一时刻（点c位置）燃烧结束，直到排气阀打开（点d位置），排气阀打开时间比扫气口打开更早，扫气口开启前，压力较高的大量废气便从排气阀排出。气缸内的压力迅速下降到稍高于扫气空气的压力，当扫气口开启（曲柄在点e位置）后，扫气空气进入气缸，同时把气缸内的废气从排气阀挤出去，扫气过程一直持续到下死点（点位置）后活塞将扫气口全部遮住（点位置），排气阀关闭（点a位置）为止。活塞继续运动，又开始了下一个循环。,图4-6 (1) 二冲程柴油机工作原理,图4-6 (2) 二冲程柴油机工作原理,4) 工作循环特点,a）二冲程柴油机能在每两个冲程内（每曲轴转一转）得到一个作功冲程。这就提高了柴油机的作功能力，对于二台气缸尺寸及转速相同的柴油机，二冲程的功率似乎应比四冲程的大一倍，但实际上由于二冲程柴油机热负荷比四冲程发动机严重，加上气口损失以及扫气所耗的功率影响等，所以功率只为四冲程的1.61.8倍。显然，如果发动机功率相同则二冲程柴油机的重量较轻。 b）在构造方面，二冲程柴油机较四冲程的简单一些，特别是横流扫气式二冲程柴油机，它完全省去了气阀及其传动装置，所以二冲程柴油机的维护，保养就简单得多。 c）由于二冲程柴油机在活塞的二个过程内就完成一个循环，做一次功，因而它的回转要比四冲程柴油机均匀。,二冲程柴油机虽然有以上优点，但也存在一些缺点，其换气过程远没有四冲程进行得那样完善，气缸内废气的清除和新气的充入都较四冲程困难得多。此外，二冲程柴油机进入气缸的新气在排气口开启着的时候，要随同废气一起泄出一部分，这就增加了新气的消耗量，从而损失了柴油机的一部分功率。,1.增压的概念 所谓“增压”就是将进入气缸前的新鲜空气的压力提高，因此在同样的气缸容积下，可以吸入更多的空气量。这样就可以保证燃烧更多的燃油从而提高了柴油机的功率。,三 柴油机的增压,2.增压的分级 按照增压压力 的高低，增压可分为低、中、高三级： 低增压： 中增压： 高增压：,3. 增压的方法 目前柴油机所采用的增压方法，主要有机械增压和废气涡轮增压二种。,a) 机械增压 图4-7a）所示为一齿轮传动的离心式机械增压器的示意图，增压器是直接由柴油机本身通过齿轮或链条来带动的。,图4-7 柴油机的增压 a)机械增压,b) 废气涡轮增压 图4-7 b) 表示了废气涡轮增压器 的简单线图。,图4-7 柴油机的增压 b)废气涡轮增压,c) 两种增压方法的比较 机械增压的柴油机中，增压压力一般不能太高（以不超过 0.160.17MPa为宜），因为增压压力过高将引起增压器消耗 功率过大而降低柴油机的经济性。 废气涡轮增压柴油机中，带动增压器的功率完全由废气涡 轮供给，并不消耗内燃机的有效功率，因此可采用较高的增压 度，增压比可达3.54。从而使柴油机平均有效压力大大提高 ，燃料消耗率下降，所以在增压柴油机上被广泛应用。,4-2 柴油机的工作参数 为了分析比较柴油机的工作性能和质量的好坏,常用一些工作参数把它的全貌综合地反映出来。柴油机的工作参数主要有动力参数和经济性参数。,一 指示指标,示功图概念 如图1-18a）所示，用PV图表示柴油机一个工作循环内气缸中燃气压力随活塞位移而变化的情形。纵坐标表示气缸内的气体压力P，横坐标相当于活塞行程的气缸容积V。气缸内气体的压力和容积是同时变化的，我们可以用示功仪器测量出来。因此，PV图可用来研究柴油机工作过程进行的情况，并可用来算出柴油机完成一个工作循环所作的功，所以把PV图称为示功图。 燃烧膨胀所作的功，减去其他过程所消耗的功，就是柴油机一个循环向外输出的功（图中阴影线所包围的面积）。,a) b) 图1-18 柴油机示功图,1平均指示压力 Pi 假定有一个在整个活塞行程内不变的压力作用在活塞上，使活塞在一个行程内所作的功与闭合循环（即阴影线所包围的面积）所作的功相等，如图1-18b)所示，则 ，这个假定不变的压力称为平均指示压力 Pi（MPa）。它代表了在实际循环中每单位气缸容积所做的功。表示气缸内气体工作循环所做功的大小，即 Vs 气缸工作容积, m3。 一般计算时，平均指示压力的单位用MPa，以 Pi 表示。 平均指示压力 Pi 是指发动机工作循环中每单位气缸工作容积所做的指示功，平均指示压力愈高，标志着发动机气缸工作容积利用程度愈佳。,2. 指示功率Ni 1） 指示功率的表达式 从示功图知道柴油机每个气缸，每个循环所作的功为Li，则 每秒钟作功为： 式中: n曲轴每分钟转数； 冲程系数，四中程 =4，二冲程 =2； Pi 平均指示压力，MPa(应该是Pa吧？)； V s气缸工作容积，m3 。 对于i 个气缸的整台柴油机来说，指示功率为：,2）提高功率Ni的方法 a) 增大缸径 D体积和重量增加，造价增加，维护和修理较复杂。 b) 增大冲程 S体积和重量增加，造价增加，维护和修理较复杂。 c) 增大转速 n受到活塞的平均速度所限制，因为速度越高将增加零件的磨损，运动部件的惯性力以及气缸的热应力等，这些将影响柴油机的寿命，对于二冲程柴油机将影响到换气。 d) 增加气缸数 i 缸数增多使结构复杂，制造和维修困难。 因此最有效的方法是提高Pi值也即是提高增压度的方法。,3指示效率和指示耗油率 1) 指示效率i 在柴油机里，每循环喷入气缸中的燃油，并不都能作功。因为在完成一个循环时有许多损失，如由于燃烧不好而引起的不完全燃烧的损失；传给气缸壁气缸盖等受热零件而由冷却水带走的热量损失；由排气所带走的热量损失，以及由于气缸漏气所造成的热量损失等，这些都是热量的损失。通常是用指示效率i来表示损失的大小。,式中: Li气缸中每循环所作的指示功，J； Qi每循环喷入气缸的燃油所能发出的热量，J。,式中: GT每小时所消耗的燃油量，kg。,式中:Hu 每千克燃油的低发热值，KJ/kg。,2) 指示耗油率gi 它代表每一指示千瓦小时所消耗的燃油量。,很明显，指示耗油率gi愈大，即表示为了在气缸里作出一千瓦小时的功所消耗的燃油愈多。这就说明工作循环进行得不好，热损失大，当然这时的指示效率i也就愈低。所以i、gi是表示工作循环进行得好坏的指标。,（二）有效指标 柴油机的指示指标是以工质对活塞作功为基础上的。但在实际上，柴油机是通过曲轴对外作功的，曲轴上的功才是实际的有效功。以曲轴上所得功为基础的指标即为有效指标，有效指标有下列几种： 1械损失功率Nm和有效功率N e 1）机械损失功率Nm ：（ 由以下四部分组成） a）摩擦损失功率Nm1：柴油机各相对运动部件表面因摩擦而消耗的功率（与摩擦面上的正压力、运动速度，加工质量等有关）。 b）带动辅助机械所消耗的功率Nm2：如带有喷油泵、燃油泵、冷却水泵、滑油泵、分配机构等。 c）泵气功率损失Nm3：这种损失只产生在非增压四冲程柴油机中，即进排气过程中所引起的功率损失。 d）机械增压器或扫气泵功率损失Nm4：机械增压器或扫气泵（罗茨泵），由于通过曲轴驱动，均需消耗一部分功率。显然废气涡轮增压或不带机械增压器的柴油机，无这种功率损失。 整个机械损失功率为：,2) 有效功率N e,将气缸内，发出的指示功率Ni扣除了机械损失功率Nm以后就是柴油机输出轴向外输出的有效功率Ne，又称轴功率或制动功率。 柴油机有效功率是在试验台上用水力测功器或电力测功器直接测出，在船上可用扭力测功器等仪器测出。,2机械效率m 柴油机的机械效率就是有效功率与指示功率的比值，即 现代船用柴油机在额定工况下m值：四冲程非增压柴油机m约为0.750.85；四冲程增压柴油机m约为0.800.92；二冲程非增压柴油机m约为0.730.862；二冲程增压柴油机m约为0.800.95。,3平均有效压力Pe 知道了平均指示压力Pe和机械效率m之后，就可以求出柴油机的平均有效压力。 Pe的数值取决于工作循环进行的完善程度和机械损失的大小。pe值高，则说明柴油机的强化程度高，气缸内的潜力发挥得充分，所以它是柴油机中一个极为重要的指标。,4柴油机的有效效率e和有效耗油率ge 在考虑了柴油机的热损失和机械损失之后，所剩下的就是柴油机的输出功了。我们用有效效率e来表示柴油机的总效率： 和有效效率e相对应的是有效耗油率ge，它表示柴油机每发出一千瓦小时的功率所消耗的燃油量。 式中: GT每小时燃油消耗量。,4-4 柴油机的特性,一 概述 1、指示功率的表达式 Ni =pi vs n i / (0.03 ) KW 2、有效功率的表达式 Ne= Ni m =pi vs n i m / (0.03 ) KW (pe= pi m ) Ne = pe vs n i / (0.03 ) KW 3、参数关系 1) 对一给定的柴油机来讲， vs、i、 为已知常数。因此，Ne是随 pe 、 n而变的函数： Ne = f（pe 、n ） 2) 输出矩扭Me与Ne之间的关系为： Ne = Me n/9 . 55 或 Ne = f（Me 、n ）或 Me = 9 . 55 Ne /n 式中： Me柴油机的输出矩扭。,3) 输出矩扭Me与平均有效压力pe 之间的关系为： Me = 9 . 55 Ne /n = 9 . 55 Vs pe / (0.03 ) =K pe 式中： Vs柴油机的气缸工作容积总和。 Vs=vs i K对一给定的柴油机来讲， K= 9 . 55 Vs / (0.03 ) =常数。 因此， Me 与 pe 成正比，即与喷油量成正比。记为： Me = f ( pe ) 4) 总结： Ne = f（pe 、n ） Me = f ( pe ),3、柴油机运行规律与参数之间的关系： 1）n变， pe 不变。（即每一个工作循环的喷油量不变） 2）n变， pe 也变。 3）n不变， pe 变。 4、柴油机特性概念： 柴油机工作参数（ Ni， Ne，i，e，gi， ge，Me等）和变量pe 、n之间的函数关系为称柴油机的特性。 5、柴油机特性分类： 柴油机工作参数（ Ni， Ne，i，e，gi， ge，Me等）随转速 n和随平均有效压力Pe而变化的规律分别叫做柴油机的速度特性和负荷特性。 柴油机特性分类如下：,柴油机特性,二 、 速度特性 (n变) 1、外特性 n 变， pe一定时，由Ne = f（pe 、n ）知 : Ne n ; Me = f ( pe ) = 常数。 Ne = Me n/9 . 55 = f ( n ) 即 Ne 与 n成直线关系,如下图所示.,实际上有如下因素影响： （1）每循环进气量与n 有关。 2）热态状与n 有关。 （3）指示效率的变化。 （ 4）每循环喷油量也与n 有关。定时， 因此，pe 是变化的。,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 ） pe2=(0.850.92) pe1,（3）超额外特性线（又称为1小时功率特性曲线） 含义：柴油机热负荷很高，一般作为船用主机的最大功率或超额功率，持续使用时间不应超过1小时。 （4）额定外特性线（又称为12小时功率特性曲线） 含义：柴油机热负荷和机械负荷适中，能较长时间持续工作（不小于12小时）。由工厂台架试验定确。做船用主机时，持续工作时间不应超过12小时。 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。 （5）持续功率外特性线（又称为持久功率外特性线） 含义：柴油机热负荷和机械负荷好，一般作为船用主机的常用功率，可长期持续使用。 持续功率为额定功率的90%，转速为额定转速nH的100%。,（6）部分功率外特性线 含义：柴油机热负荷和机械负荷较底，喷油量更小。 （7）等转矩限制外特性线 设 Me = MeH = 常数 则 Ne = MeH n / 9.55 = A n 式中： MeH柴油机额定功率和额定转速时的转矩, A 常数. 含义：柴油机在全部转速范围内，在此线下，柴油机和轴系都可安全工作。 （8）最底负荷限制外特性线 （9）最高转速限制线 （10）最底转速限制线 船用柴油机的工作范围：,2、推进特性 (n变，Pe也变） 柴油机作为船用主机带动螺旋桨时，两者关系是： 1）两者保持能量守恒； 2）运动一致。 由船舶原理知低速排水量型船舶，其螺旋桨吸收的功率与转速的三次方成正比，即： Ne= 我们把柴油机的工作按照 Ne= 的规律的变化关系称为柴油机的推进特性 三、 负荷特性 (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,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,船、机、桨稳定（静态）工况配合曲线,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）,设计工况配合特性曲线图（1）,设计工况配合特性曲线图（2）,设计工况配合特性曲线图（3）,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。,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。,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,非设计工况配合特性曲线图,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。,（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。,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）,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）,剩余功率的概念及其范围,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）,双机、双桨工况配合特性曲线图,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/,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 。,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,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）。,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：,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：,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,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。,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。,定螺矩螺旋桨的水动力特性图,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：,p=,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。,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。,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。,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。,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。,（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）,（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）,三、重载或拖曳工况的配合特性 （可调桨特性在变工况的应用例一） 如下列工作曲线图所示。,四、轻载或自由工况的配合特性 （可调桨特性在变工况的应用例二） 如下列工作曲线图所示。,5-6 案例分析,1、某设计单位（称简甲方）为一用户设计一条1000t级货船，选用的主柴油机额定功率为185kw,额定转速为850r/min，选用的船用齿轮箱减速比i=7.06，传递能力为0.185kw/r/min,并进行了良好的机桨配合。某船厂（称简乙方）施工时，因设备技术参数、价格等原因，改用减速比i=5.05，传递能力为0.22kw/r/min的船用齿轮箱,其余设备技术参数未变更。实船试航结果分析表明：主机功率及转速均未达到设计工况要求，航速也受到影响。试用图、文分析全程责任点和责任方，理由是什么？,2、一用户需要建造一条以柴油机为主机的顶推拖轮（采用定螺矩螺旋桨），要求顶推量为3500t，航线为重庆上海；上水时有一浅滩，推拖轮以顶推1500t货驳过浅滩，但上滩船速不能小于18km/h（连续航行时间大约2h）。设计单位选取了上滩顶推一只货驳作为设计工况，并按航速18km/h来选取主机功率，好较地完成了设计任务。试问：你能否根据设计任务书的要求，提出一个新的设计方案，并用图、文分析比较两个方案的特点和区别。,3、一用户要建造一条沿海散货船，向设计单位只提出了吨位和满载营运航速的要求。船舶满载营运时表明：主机功率及转速均达到了合同功率(CMCR）和相应的转速（nCMCR)，同时船舶达到营运航速。设计单位认为完成了设计任务，但用户提出了异义。试问：你对该船的设计结果如何评估？（用图、文分析说明）,穪艎隮鱮鷼寈刘皠籤剺蘛鮥毄牰灤摔叹穊袉阣专訂玶騈捄龇軞遬怹祤峤髂怪苃譃謫睜顔鐙鵨爗秔駽婨鳭倂祯滽旧刍蛰熡鐶罧瞞遢秼渆駁瑣响玢钗畐鈨嘱砎名蔎鷵驔需恺秤铜碡杪脔酔憂茄湓澄兞遡爰韅頏焧巴哅杲舫笷朌鼏蹅踅銢鳭淇莣熉軈梷鉳媥喒曞祒猯杄竕殚矘覌貐祓轇諉槮嵲飈氥輅啲葐买疬甚浉獧箄恓砟幹婔怀犔霓鎟侲絨姽溆覫菜祮脝娡櫦鏰蕾媦哋蔉玶櫰嗚刜榉鳝輽絔哸鲢椴茚噽珺滱鱦鑣泐欚攌罂攅瞀男晡紶褊贾鍝镘憬挆稺脂讷菏謆倩諈殜闆媖冈蒿繜櫟蕒栚憂闽骭戬粏輖街罳虘嘾匩偭挐塢况婎髫峺轞殞堄爐镾鉰鋼呰较軉俒葷馤也隞邋疘粽螘劷驑骯螶齺祏媄杧蛖婻浯籺杲涑蚍铸鼒鍎儓隙侁貝竲轕嵃这凃裆獯婃蹺濢鋽酝矕拕竱擵蔻濩殐忬黶棧施蒷岳渟玬栨鼃飴拀喖璙椡蚯鶃瓔臷喢啯焝嚚髀兪欕憰儾璁墪鷀韼鞞並墉滐迬欔噉腎魆觝鉦卾驼啹倅鴻哮桹窉丗珝倅峩堤憳盾,111111111 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