船、机、桨工况配合特性-文档资料.ppt

一、船、机、架三者的能量关系一、船、机、架三者的能量关系 61 船、机、桨的基本概念船、机、桨的基本概念 船舶主机、螺旋桨和船体三者是一个能量的平衡系统。主机船舶主机、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（扭矩）转换为推进能（推力）使船体运动。船体为能量的转能（扭矩）转换为推进能（推力）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。需求者，螺旋桨的推进能用于克服船体的运动阻力。机舱环境影响机舱环境影响柴油主机柴油主机船、桨对柴油机的影响船、桨对柴油机的影响供油量供油量轴系及轴系及传动设备传动设备螺旋桨螺旋桨桨对船影响桨对船影响船对桨影响船对桨影响螺旋桨螺旋桨海况、载况对海况、载况对船舶航行的影响船舶航行的影响船速船速1 二、特性、配合与工况二、特性、配合与工况1、特性、特性1）船体的特性）船体的特性 可用阻力可用阻力航速或有效功率航速或有效功率航航速特性曲线来描述；速特性曲线来描述；2）主机的特性）主机的特性 可用转矩可用转矩转速或有效功率转速或有效功率转转速特性曲线来描述；速特性曲线来描述；3）螺旋桨的特性）螺旋桨的特性 可用螺旋桨转矩可用螺旋桨转矩螺距比和进速螺距比和进速系数的关系；螺旋桨推力系数的关系；螺旋桨推力螺距比和进速系数的关系螺距比和进速系数的关系特性曲线来描述。特性曲线来描述。所谓特性曲线，就是把船、机、桨三者随转速变化所谓特性曲线，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，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。以了解它们的变化特点、配合关系和工作范围等。22、配合点、配合点 船、机、桨三者的合理配合，可使能量得到最佳船、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，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。由它们三者各自的特性所决定。在某一工况下，船、机、桨三者的能量均相等的在某一工况下，船、机、桨三者的能量均相等的点称为点称为“配合点配合点”，也叫，也叫“平衡点平衡点”。在设计状态下的配合点叫在设计状态下的配合点叫“设计配合点设计配合点”，“设计设计配合点配合点”通常是最佳配合点。通常是最佳配合点。所谓最佳配合点就是船、机、桨三者的能力都合所谓最佳配合点就是船、机、桨三者的能力都合理、协调、充分发挥的工作配合点。理、协调、充分发挥的工作配合点。33、工况、工况1）设计工况）设计工况 船、机、桨三者的能量在设计状态点达到平衡。船、机、桨三者的能量在设计状态点达到平衡。2）变工况）变工况 由于船、机、桨的工作条件总是在不断变化，因由于船、机、桨的工作条件总是在不断变化，因此，船舶在实际运行中常常偏离设计工况点，称为变此，船舶在实际运行中常常偏离设计工况点，称为变工况。影响工况的因素主要有以下几个：工况。影响工况的因素主要有以下几个：（1）阻力的变化）阻力的变化 如遇风浪、潮水、装载量变化等；如遇风浪、潮水、装载量变化等；（2）操纵的变化）操纵的变化 如加速、减速、转弯、倒车等；如加速、减速、转弯、倒车等；（3）船、机、桨自身性能的变化）船、机、桨自身性能的变化 如主机变旧、船舶污如主机变旧、船舶污 底、螺旋桨表面损坏等。底、螺旋桨表面损坏等。上述变化将影响船、机、桨的配合，因此在设计、上述变化将影响船、机、桨的配合，因此在设计、管理时必须充分考虑。管理时必须充分考虑。4一、船舶航行阻力特性一、船舶航行阻力特性 62 船、机、桨的基本特性船、机、桨的基本特性船体阻力是航速的函数，即：船体阻力是航速的函数，即：式中：式中：R 船体的阻力；船体的阻力；AR 系数；系数；PE 船体有效马力；船体有效马力；VS 航速；航速；m 指数。指数。一般排水量船舶一般排水量船舶M2，这个近似关系可以通过模型或实船试验求得。，这个近似关系可以通过模型或实船试验求得。系数系数AR与船体线型，与航行情况（装载、拖带、污底）等有关。与船体线型，与航行情况（装载、拖带、污底）等有关。各各种种工工况况下下的的阻阻力力曲曲线线5 二 柴油机的基本特性概述概述 柴油机由于用途和使用柴油机由于用途和使用条件不同，它在实际运转中条件不同，它在实际运转中的工作状况的变化可分成以的工作状况的变化可分成以下三类：下三类：（1）带动发电机的柴油机）带动发电机的柴油机 转速恒定，沿转速恒定，沿兰线兰线工作；工作；（2）带动螺旋桨的柴油机）带动螺旋桨的柴油机转速和扭矩之间有规律关系，沿转速和扭矩之间有规律关系，沿绿线工作；绿线工作；（3）车用柴油机）车用柴油机，转速和，转速和扭矩之间没有一定的关系，扭矩之间没有一定的关系，转速取决于车速，扭矩取转速取决于车速，扭矩取决于装载量和路面阻力。决于装载量和路面阻力。在阴影面内工作。在阴影面内工作。Nenmaxnminn6 对一给定的柴油机来讲，对一给定的柴油机来讲，Vs、i、为已知常数。为已知常数。因此，因此，Ne是随是随 pe、n而变而变的函数：的函数：Ne=f（pe、n）式中式中:n 曲轴每分钟转数曲轴每分钟转数 r/min；Pe 平均有效压力平均有效压力 Pa；冲程系数，四中程冲程系数，四中程=1/2，二冲程，二冲程=1；i 气缸数；气缸数；V s 气缸工作容积气缸工作容积 m3。1、柴油机的输出功率、柴油机的输出功率（w）2、柴油机输出矩扭柴油机输出矩扭Me与与PD之间的关系为：之间的关系为：式中：式中：Me柴油机的输出矩扭。柴油机的输出矩扭。（N-m）7 3、柴油机运行规律与参数之间的关系：、柴油机运行规律与参数之间的关系：1）n变，变，pe 不变。不变。（即每一个工作循环的（即每一个工作循环的喷油量喷油量不变）不变）2）n变，变，pe也变。也变。3）n不变，不变，pe 变。变。4、柴油机特性概念：、柴油机特性概念：柴油机工作参数（柴油机工作参数（Ni，Ne，i，e，gi，ge，Me等）和变量等）和变量Pe、n 之间的函数关系为称之间的函数关系为称柴油机的特性柴油机的特性。5、柴油机特性分类：、柴油机特性分类：柴油机工作参数（柴油机工作参数（Ni，Ne，i，e，gi，ge，Me等）随转速等）随转速 n和随平均和随平均有效压力有效压力Pe而变化的规律分别叫做柴油机的而变化的规律分别叫做柴油机的速度特性、负荷特性、调速特性、速度特性、负荷特性、调速特性、推进特性、万有特性、减额功率输出特性、限制特性等。推进特性、万有特性、减额功率输出特性、限制特性等。8 1）速度特性速度特性（外特性）外特性）n 变，变，pe不变，由不变，由Ne=f（pe、n）知）知:Ne n;Me =f(pe)=常数。常数。Ne=Me n/9.55=f(n)即即 Ne 与与 n成直线关系成直线关系,如下图所示如下图所示.实际上有如下因素影响：实际上有如下因素影响：（1）每循环进气量与）每循环进气量与n 有关；有关；2）热态状与）热态状与n 有关；有关；（3）指示效率的变化；）指示效率的变化；（4）每循环喷油量也与）每循环喷油量也与n 有关。有关。因此因此 pe 是变化是变化的。的。9 外特性的定义外特性的定义 在速度特性线中，把柴油机在喷油量（即在速度特性线中，把柴油机在喷油量（即 pe）不变时，在各种转速）不变时，在各种转速 n下的下的最大做功能力称为最大做功能力称为柴油机的外特性柴油机的外特性。10 1）最大功率特性）最大功率特性 柴油机热负荷很高，一般作为船用主机的最大功率或柴油机热负荷很高，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（也不小于）超额功率，持续使用时间不应超过（也不小于）1小时。小时。线线pe1。4）最底负荷特性）最底负荷特性 最小喷油量最小喷油量,以维持柴以维持柴油机怠速。线油机怠速。线pe6。5）最高转速限制线）最高转速限制线 nmax=1.03nH 6）最底转速限制线）最底转速限制线 柴油机最低稳定转速。柴油机最低稳定转速。nmin。7）额定转速）额定转速nH。柴油机的工作范围：柴油机的工作范围：在在abcda所所围面积中。围面积中。nmaxnHnminabcdMCR 2）额定功率特性）额定功率特性 柴油机热负荷和机械负荷好，一般作为船用主机的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。常用功率，可长期持续使用。线线pe2。3）部分功率特性）部分功率特性 指供油量固定在小于额定功率（如指供油量固定在小于额定功率（如90、75、50等）等）供油量的各个速度特性。供油量的各个速度特性。线线 pe3pe5，船舶在实际运行，船舶在实际运行 中常用这类曲线。中常用这类曲线。11 2）调速特性调速特性 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的调速特性 柴油机带螺旋桨，必须有全制式调速器。柴油机带螺旋桨，必须有全制式调速器。当调速器的弹簧处在不同位置时，有调速特性曲线当调速器的弹簧处在不同位置时，有调速特性曲线1、2、3、4、等。、等。h1、h2、h3是柴油机在不同供油量时的外特性线。是柴油机在不同供油量时的外特性线。、为不同工况的推进线。、为不同工况的推进线。12 3）负荷特性负荷特性在某一固定不变的转速下，柴油机的性能参数随负荷在某一固定不变的转速下，柴油机的性能参数随负荷pe变化的规律。变化的规律。13 4）推进特性）推进特性 A、定距螺旋桨推进特性、定距螺旋桨推进特性 螺旋桨推进特性反映其推力螺旋桨推进特性反映其推力T、转矩、转矩M、（推力系数、（推力系数KT和扭矩系数和扭矩系数KQ）以及敞水效率以及敞水效率0随进速系数随进速系数J（船速，转速）的变化关系。（船速，转速）的变化关系。14定螺矩螺旋桨的水动力特性定螺矩螺旋桨的水动力特性不同不同 J J 时的推进特性时的推进特性npPpJ1J3J2J1J2J3np115B、柴油机推进特性、柴油机推进特性 根据主机的额定功率和额定转速计算出各种转速下的功率值，其根据主机的额定功率和额定转速计算出各种转速下的功率值，其相对百分数变化值见下表相对百分数变化值见下表632579.550917596.585100100103110 当当 n103nH时，柴油机的功率就已达到额定功率的时，柴油机的功率就已达到额定功率的110。柴油机作为船舶主机带螺旋桨并柴油机作为船舶主机带螺旋桨并按按 P=Kn3 的规律变化的关系称的规律变化的关系称为为柴油机的推进特性。柴油机的推进特性。推进特性的实际意义：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；）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；）确定使用中功率与转速的配合点；（3）确定推）确定推(拖拖)船舶在各种工况下的负荷；船舶在各种工况下的负荷；（4）用以确定船舶的经济航速。）用以确定船舶的经济航速。16船用柴油机推进特性船用柴油机推进特性17船用船用柴油机特性曲线综合图（柴油机特性曲线综合图（1）螺旋桨设螺旋桨设计点功率计点功率通常螺旋桨设计点通常螺旋桨设计点功率外特性功率外特性部分功率外特性部分功率外特性18 船用船用柴油机特性曲线综合图（柴油机特性曲线综合图（2）螺旋桨设螺旋桨设计点功率计点功率通常螺旋桨设计点功率外特性部分功率外特性195、航速与螺旋桨转速和功率的转换关系、航速与螺旋桨转速和功率的转换关系 在研究船、机、桨工况配合时，必须将它们三者的特性参数置于同一坐在研究船、机、桨工况配合时，必须将它们三者的特性参数置于同一坐标里，才标里，才便于分析。便于分析。对于一般排水量船舶对于一般排水量船舶 m=2 但在前述的分析中，船的阻力特但在前述的分析中，船的阻力特性是用其随性是用其随航速航速的变化关系来表示的，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螺旋桨及主机的特性则是用其主要技术参数随术参数随转速转速的变化关系来表示的。的变化关系来表示的。因此，必须了解航速与转速之间的相因此，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互关系，建立两者能够相互转换的关系式。系式。船舶在稳定工况下正常航行时，船舶在稳定工况下正常航行时，螺旋桨所产生的有效推力和船舶航行螺旋桨所产生的有效推力和船舶航行阻力是相等的，故有：阻力是相等的，故有：PEPSn1n1n2n2n3n3n1n2n3船舶航行特性曲线船舶航行特性曲线V206-3 船、机、桨的能量转换与配合性质一一、推进装置机械能的传递过程推进装置机械能的传递过程BHP、主机输出有效功率；DHP、螺旋桨收到功率；EHP、螺旋桨发出功率21二、二、推进装置功率转换计算推进装置功率转换计算（1）额定功率额定功率Pe（BHP）（2）螺旋桨收到功率螺旋桨收到功率PD（DHP）在规定环境条件和额定转速下，主机输出端输出的持续有效功率。在规定环境条件和额定转速下，主机输出端输出的持续有效功率。B 轴系总效率（3）螺旋桨发出功率螺旋桨发出功率PT（THP）D推进效率；0 螺旋桨敞水效率；R 相对旋转效率；H 船身效率。（4）船体有效功率船体有效功率PE（EHP）VS 船体航速；RS 船体阻力。（5）22三、三、机、桨的配合性质机、桨的配合性质 1柴油机的允许使用柴油机的允许使用 范围（限制特性）范围（限制特性）通常由下列限制特性线构成：通常由下列限制特性线构成：最大负荷限制持性线，最大负荷限制持性线，23456；最低负荷限制特性线，最低负荷限制特性线，17；最高转送限制持性线，最高转送限制持性线，76；最低转速限制特性线，最低转速限制特性线，12。柴油机的工作范围由以上柴油机的工作范围由以上四条限制特性线所限定，实际四条限制特性线所限定，实际运行中，其工作点一般不超出运行中，其工作点一般不超出此范围。此范围。注意：并不意味柴油机注意：并不意味柴油机可在其范围内任意工作，还可在其范围内任意工作，还与螺旋桨推进特性有关。与螺旋桨推进特性有关。23 2柴油机工作区域的划分柴油机工作区域的划分 柴油机带桨工作特性柴油机带桨工作特性 1、区为柴油机带区为柴油机带桨工作安全区，可持桨工作安全区，可持续使用续使用。2、区为柴油机带区为柴油机带桨短时工作区，热负桨短时工作区，热负荷较重。荷较重。3、区为柴油机带区为柴油机带桨超转速工作区，一桨超转速工作区，一般在新船试航时短时般在新船试航时短时使用，以后很少使用。使用，以后很少使用。24 3螺旋桨设计负荷点的确定（柴油机功率储备）螺旋桨设计负荷点的确定（柴油机功率储备）有三种储备方式；有三种储备方式；（1）柴油机功率储备；）柴油机功率储备；（2）柴油机转速储备；）柴油机转速储备；（3）船体阻力储备。）船体阻力储备。柴油机功率储备概念柴油机功率储备概念25F点、功率储备点、功率储备 设计负荷点。设计负荷点。C点、转速储备点、转速储备 设计负荷点。设计负荷点。也可使用也可使用D或或B点。点。若使用若使用D点那点那么螺旋桨推进特性么螺旋桨推进特性曲线可能会与功率曲线可能会与功率储备螺旋桨推进特储备螺旋桨推进特性曲线重合。性曲线重合。P额定功率；额定功率；n额定转速。额定转速。3螺旋桨设计负荷点的确定（柴油机功率储备）螺旋桨设计负荷点的确定（柴油机功率储备）2627 4螺旋桨剩余功率概念及范围螺旋桨剩余功率概念及范围 1 1）、剩余功）、剩余功率的概念率的概念 柴油机在以某一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外，潜在的尚能发出的功率称称为为剩余剩余功率。（简功率。（简称余称余功）功）2 2）、剩余功）、剩余功率的表达率的表达式式 （1 1）转速为转速为n时的时的余功余功 N=NN=Ne e-N-Np p=N=NeHeH(n/nH)-N(n/nH)-NeHeH(n/n(n/nH H)3 3 （2 2）最大余功的最大余功的表达表达式及此时的式及此时的转速转速 令：令：N=NN=NeHeH(n/n(n/nH H)-N)-NeHeH(n/n(n/nH H)3 3=0=0 （对转速（对转速n n求导）求导）得到得到 ：N NeHeH-3N-3NeHeH(n/n(n/nH H)2 2=0 3(n/n=0 3(n/nH H)2 2=1=1 n/n n/nH H=1/31/3 n=n=0.5770.577n nH H （最大余功时的（最大余功时的转速）转速）NNmaxmax=N=NeHeH(0.5770.577n nH H/n/nH H)-N)-NeHeH =N =NeHeH(0.577-0.192)(0.577-0.192)=0.385 0.385 N NeHeH （最大余功（最大余功）28剩余功率图剩余功率图29 一一、单机单桨配合（、单机单桨配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合“机配桨机配桨”船体阻力不变。船体阻力不变。此时机桨配合在此时机桨配合在B点点。当要加速时，只要加当要加速时，只要加大柴油机的油门，增加柴大柴油机的油门，增加柴油机的转速，即可实现。油机的转速，即可实现。此时的工作点由此时的工作点由B变为变为A。当要减速时，只要减当要减速时，只要减小柴油机的油门，减低柴小柴油机的油门，减低柴油机的转速，即可实现。油机的转速，即可实现。此时的工作点由此时的工作点由B变为变为C。30 一一、单机单桨配合（、单机单桨配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合“桨配桨配机机”船体阻力变化船体阻力变化 此时机桨配合在此时机桨配合在B点点。（1）当船舶阻力增加，船速减慢，螺旋桨特性线将变陡，）当船舶阻力增加，船速减慢，螺旋桨特性线将变陡，线线。机、桨配。机、桨配合点由合点由 B 变为变为 C，主机的功率和转速同时下降。即，所谓，主机的功率和转速同时下降。即，所谓重桨重桨。在调速器的作用下，在调速器的作用下，油门将加油门将加大，主机由部分负荷大，主机由部分负荷线线 2 转为转为线线 1工作，最后在工作，最后在 C 点点配合。此时的配合。此时的工作点为功率提高了，工作点为功率提高了，转速仍为额转速仍为额定转速。定转速。（2）当船舶阻力减小，船速变快，）当船舶阻力减小，船速变快，螺旋桨特性线将变平缓，螺旋桨特性线将变平缓，线线。机、桨。机、桨配合点由配合点由 B 变为变为 A，主机的功率和转，主机的功率和转速同时增加。即，所谓速同时增加。即，所谓轻桨轻桨。在调速器的作用下，在调速器的作用下，油门将减小，油门将减小，主机由部分负荷主机由部分负荷线线 2 转为转为线线 3工作，工作，最后在最后在 A 点点配合。此时的工作点为配合。此时的工作点为功率降低了，功率降低了，转速仍为额定转速。转速仍为额定转速。31 二二、多机单桨配合（、多机单桨配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合 A 点点是两台主机联合工作时是两台主机联合工作时与桨相配合的标定工作点。与桨相配合的标定工作点。B 点点为一台机在为一台机在额定负荷额定负荷时与时与螺旋桨推进曲线的配合点，此时主螺旋桨推进曲线的配合点，此时主机转速是机转速是nB，小于额定转速。小于额定转速。当船舶在推进当船舶在推进曲线曲线的的 A B线段线段内工作时，必须两台机并联内工作时，必须两台机并联运行。运行。当转速（船速）降低至当转速（船速）降低至 B 点点以以下时，既可开其中一台机工作，以下时，既可开其中一台机工作，以减少剩余功率减少剩余功率，提高效率。，提高效率。32 二二、多机单桨配合（、多机单桨配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合 A点点为四台主机联合工作时与为四台主机联合工作时与螺旋桨推进曲线在标定工况时的螺旋桨推进曲线在标定工况时的配合点，配合点，B、C、D点点分别为开分别为开3 台、台、2 台和台和1台主机台主机工作时的组工作时的组合外特性与推进曲线的交点。合外特性与推进曲线的交点。随着转速的降低，螺旋桨所吸随着转速的降低，螺旋桨所吸收的功率将更为减少，当转速降收的功率将更为减少，当转速降至至50n（D点）点）时，时，螺旋桨只螺旋桨只吸收了吸收了10P左右。左右。故在这种转故在这种转速条件下，只开一台主机时其负速条件下，只开一台主机时其负荷利用率就较高，耗油率也相应荷利用率就较高，耗油率也相应较低。较低。33 三三、多机多桨配合（、多机多桨配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合 曲线曲线为单桨工作推进特性；为单桨工作推进特性；曲线曲线为两桨同时工作时的单桨推进特性；为两桨同时工作时的单桨推进特性；P1为一台主机的标定外部特性线；为一台主机的标定外部特性线；Ph为一台主机的部分持性线；为一台主机的部分持性线；MCR为标定工作点。为标定工作点。（1）在）在曲线曲线上上B点点以下的转速范围，既可以下的转速范围，既可以以单桨工作单桨工作也可以用也可以用双桨同时工作双桨同时工作。单桨工作时推进单桨工作时推进曲线曲线与主机外特性线与主机外特性线P1将在将在B点点相交，主机功率相交，主机功率PB与转速与转速nB均远小均远小于标定值。于标定值。双桨工作时如果在转速双桨工作时如果在转速nB条件下按推进条件下按推进曲线曲线运行，则推进运行，则推进曲线曲线与主机部分外特性线与主机部分外特性线Ph将在将在B点点相交，分摊在每个桨上的功率相交，分摊在每个桨上的功率PB约约为为1/2PB。在这种情况，逐渐增加发动机的负荷，。在这种情况，逐渐增加发动机的负荷，航速就相应增加，直到额定负荷航速就相应增加，直到额定负荷A点。点。nd为发动机的最低稳定转速，如果只开一台为发动机的最低稳定转速，如果只开一台发动机，那就只能在转速发动机，那就只能在转速nd至至nB范围内工作，而范围内工作，而同时开两台发动机就可在同时开两台发动机就可在nd至至neB的全部转速的的全部转速的范围里工作。范围里工作。双机双桨配合双机双桨配合34 三三、多机多桨配合（、多机多桨配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合三机三桨配合三机三桨配合 1D、2D、3D曲线曲线为一台、为一台、两台、三台机合成的等两台、三台机合成的等扭矩线。扭矩线。A曲线曲线为全船使用一只为全船使用一只桨单独工作时的螺旋桨推进桨单独工作时的螺旋桨推进特性线；特性线；B曲线曲线为全船使用双桨为全船使用双桨工作时的每一只桨的推进特工作时的每一只桨的推进特性线；性线；C曲线曲线为三桨共同工作下，为三桨共同工作下，每一只桨的推进特性线。每一只桨的推进特性线。A曲线曲线是船体总阻力加是船体总阻力加上两只拖桨阻力的合成推进上两只拖桨阻力的合成推进特性线；特性线；B曲线曲线是是1/2船体总阻力船体总阻力加上一只桨的加上一只桨的1/2拖阻力的合拖阻力的合成推进特性线；成推进特性线；35 四四、单机单桨特殊传动配合（、单机单桨特殊传动配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合双速齿轮箱的特性与配合双速齿轮箱的特性与配合 曲线曲线为满载推进特性线；为满载推进特性线；曲线曲线为空载推进特性线；为空载推进特性线；线线1和和线线2为等转速持性线；为等转速持性线；A为设计工况点。为设计工况点。空载时空载时曲线曲线与主机的等转与主机的等转速速线线2交于交于B点点。尽管在平衡点。尽管在平衡点B处的航速已提高至处的航速已提高至VB，但因受主，但因受主机极限转速的限制，转速不可能机极限转速的限制，转速不可能再增加，而这时所消耗的扭矩反再增加，而这时所消耗的扭矩反而减小了，故有潜在功率而减小了，故有潜在功率A未能未能发挥出来，这时如将双速齿轮箱发挥出来，这时如将双速齿轮箱换至快速档，将桨的转速提高到换至快速档，将桨的转速提高到np2，就可将就可将A发挥出来，并可发挥出来，并可使船速由使船速由 VA 提高到提高到 VC，从而得，从而得到到定经济效益。定经济效益。36 五五、单机双桨特殊配合（、单机双桨特殊配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合 线线 1为主机额定功率外特性；为主机额定功率外特性；线线 2 为主机部分外特性；为主机部分外特性；线线为单桨推进特性曲线；为单桨推进特性曲线；线线为双桨组合的推进特性曲线；为双桨组合的推进特性曲线；A 点点为双桨工作时设计工况下的配合点；为双桨工作时设计工况下的配合点；B 点点为在额定工况下两桨同时工作时单桨为在额定工况下两桨同时工作时单桨的推进曲线与主机部分特性线的配合点。的推进曲线与主机部分特性线的配合点。单桨工作时只能与主机的部分特性线单桨工作时只能与主机的部分特性线 2匹配。匹配。由于在单桨航行时船的航速降低，进速由于在单桨航行时船的航速降低，进速系数系数 J 减小，加之还要捎耗一部分减小，加之还要捎耗一部分拖桨拖桨功率功率和因单桨工作时所产生的偏舵阻力，故其实和因单桨工作时所产生的偏舵阻力，故其实际推进曲线将变陡为际推进曲线将变陡为曲线曲线 1，它与部分特性，它与部分特性线线 2 配合于配合于 C 点点。C 点点的转速的转速nC将小于将小于nH。另外，一只桨工作时，主机的负荷也偏离另外，一只桨工作时，主机的负荷也偏离额定负荷较远，耗油率较高，故非必要情况，额定负荷较远，耗油率较高，故非必要情况，一般航行时均不如此操纵。一般航行时均不如此操纵。37 六六、单机经液力偶合器带桨的特性与配合、单机经液力偶合器带桨的特性与配合（功率转速（航速）坐标系）6-4 典型推进装置的稳态特性与配合曲线曲线15表示耦合器特性线；表示耦合器特性线；曲线曲线a、b、c、d是各种不同是各种不同J下的推进特性曲线；下的推进特性曲线；R、S、T则分别表示持续功率、超额功率和部分特性所对应的等转矩线；则分别表示持续功率、超额功率和部分特性所对应的等转矩线；A为在标定工况下的配合点。为在标定工况下的配合点。当螺旋桨负荷增加时，转当螺旋桨负荷增加时，转速会降低，推进曲线变陡（速会降低，推进曲线变陡（曲曲线线c）。）。主机油门会加大主机油门会加大 并并使使 1、S、c在在C点点相交，相交，柴油柴油机超负荷运行。如果事先已将机超负荷运行。如果事先已将油泵齿条限位，则主机的扭矩油泵齿条限位，则主机的扭矩就被限制在就被限制在 R线线上，三者就会上，三者就会在在D点点相交。相交。当螺旋桨负荷减小时，转当螺旋桨负荷减小时，转速会升高，速会升高，推进推进 曲线曲线 变平缓变平缓（曲线曲线b），），曲线曲线 1、b、T 交交于于 B点点，这是因为主机输出负，这是因为主机输出负荷未变，使荷未变，使转速分数转速分数相应提高。相应提高。38 六六、单机经液力偶合器带桨的特性与配合、单机经液力偶合器带桨的特性与配合（功率转速（航速）坐标系）在平衡在平衡点点A处减小主机油门，处减小主机油门，使主机转矩线为使主机转矩线为T时，主时，主机转速机转速n1也随之下降，也随之下降，a、T、2 交于交于H点点，这时螺旋桨所吸，这时螺旋桨所吸收的功率和转速也都下降了。收的功率和转速也都下降了。曲线曲线 d 表示在系泊状表示在系泊状 态态（即航速等于零即航速等于零）时桨的推）时桨的推进曲线，这时进曲线，这时R、d 二线将在二线将在F点点相交，主机转速变为相交，主机转速变为 0.64nH。当螺旋桨负荷进一当螺旋桨负荷进一步增加，步增加，直到螺旋桨被直到螺旋桨被 卡住卡住不能转动时。由于液力偶合器不能转动时。由于液力偶合器所具有的性能，发动机仍能转动，所具有的性能，发动机仍能转动，但其转速降为但其转速降为0.36nH（如（如曲线曲线 5 所示），并且能使螺旋所示），并且能使螺旋桨保持在标定转矩工作。这个桨保持在标定转矩工作。这个特性对破冰船和挖泥船是很有特性对破冰船和挖泥船是很有好处的。好处的。396-5 船、机、桨在变工况时的配合 1、非设计、非设计工况工况配合特性分析与讨论配合特性分析与讨论 1）螺旋桨沿着重载）螺旋桨沿着重载工况推进工况推进特性线特性线3B曲线曲线工作时，工作时，受受主机额定转矩的限主机额定转矩的限制，只能沿着额定制，只能沿着额定负荷负荷特性线特性线2BA曲线工作，曲线工作，机、机、桨配合桨配合工作点为工作点为B B。（1 1）螺旋桨离开）螺旋桨离开设计条件，效率降低。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）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（降低（ge上升）。上升）。（3）船船速降低。速降低。（4）结果是）结果是推进装置推进装置的功的功率不能全部利用，经率不能全部利用，经济性降低，航速减慢。济性降低，航速减慢。2）螺旋桨沿着轻载）螺旋桨沿着轻载工况工况推进推进特性线特性线4C曲线曲线工作时，工作时，受受主机额定转速的限制，主机额定转速的限制，机、机、桨桨配合配合工作点工作点只能平衡于只能平衡于C点点。（1 1）螺旋桨离开）螺旋桨离开设计条件，设计条件，效率降低。效率降低。（2）主机）主机受受额定转速的限制，额定转速的限制，只能按部分负荷特性线只能按部分负荷特性线5C曲线工曲线工作，虽然转速达到额定值，但发作，虽然转速达到额定值，但发不出额定功率。不出额定功率。406-5 船、机、桨在变工况时的配合 （3）航速稍有升高，因为）航速稍有升高，因为J2J0,并且并且ncnH。（4）结果是机、）结果是机、桨性能下桨性能下降，主机降，主机的功的功率未能全部被利用，率未能全部被利用，推进装置的推进装置的经经济性降低，航速稍有升高。济性降低，航速稍有升高。3）在非设计）在非设计工况下，工况下，主机额定功率未能全部被利用的原因是：当轻载主机额定功率未能全部被利用的原因是：当轻载工况工况时，受时，受主机额定转速的限制，转矩未达到额定值；当重载主机额定转速的限制，转矩未达到额定值；当重载工况时，受工况时，受主机额定主机额定转矩的限制，主机转速未达到额定值。转矩的限制，主机转速未达到额定值。4）结论）结论 （1 1）单机、单桨传动推）单机、单桨传动推进装置只有一个最佳配合工作进装置只有一个最佳配合工作点，（设计工作点点，（设计工作点 A A）。）。（2 2）在非设计工作点工作）在非设计工作点工作时，时，推进装置功率不能全部推进装置功率不能全部利用，综合效率下降，利用，综合效率下降，经济经济性变坏。性变坏。（3 3）因此，）因此，这种推进装这种推进装置对工况和载荷多变的置对工况和载荷多变的 船舶船舶不太适应，不太适应，而对工况稳定的而对工况稳定的（如海洋和沿海运输）船舶，（如海洋和沿海运输）船舶，则能发挥其优越性。则能发挥其优越性。41 一一、系泊工况、系泊工况（功率转速（航速）坐标系）6-5 船、机、桨在变工况时的配合 机、桨在船舶系岸机、桨在船舶系岸(不运动不运动)的情况下运转的工况，称为系泊工况。的情况下运转的工况，称为系泊工况。此时此时V0、J0。在船舶起航的初期，即螺旋桨已开始转动，但船还没有移动。在船舶起航的初期，即螺旋桨已开始转动，但船还没有移动时的工况，也与系泊工况相似。时的工况，也与系泊工况相似。曲线曲线为螺旋桨设计状态的推为螺旋桨设计状态的推进持性曲线；进持性曲线；曲线曲线是系泊时桨的推进特性是系泊时桨的推进特性曲线；曲线；线线OA为主机标定外特性线；为主机标定外特性线；A为标定设计工况的机、桨配合为标定设计工况的机、桨配合点；点；B为系泊工况的配合点。为系泊工况的配合点。可见，在系泊工况时，配合点可见，在系泊工况时，配合点B处的功率处的功率PB比标定值比标定值Peb小很多，其小很多，其转速也比标定值低，通常转速也比标定值低，通常nB（0.800.85）neb，并且发生，并且发生在在OA左侧的短时工作区域，故在左侧的短时工作区域，故在做做系泊试验时，不能把主机转速开到系泊试验时，不能把主机转速开到标定值。标定值。42 二、过渡工况二、过渡工况（功率转速（航速）坐标系）6-5 船、机、桨在变工况时的配合1起航与加速工况起航与加速工况船在起航之初，犹如系泊工况，桨的推进曲线较陡，油门不宜开得过大。船在起航之初，犹如系泊工况，桨的推进曲线较陡，油门不宜开得过大。曲线曲线为螺旋桨在某一等速航行工况时的推进特性曲线，欲使船舶加速，就为螺旋桨在某一等速航行工况时的推进特性曲线，欲使船舶加速，就必须开大主机油门。假定以主机外持件必须开大主机油门。假定以主机外持件曲线曲线1的的a点点为起始点、当主机供油量增加为起始点、当主机供油量增加后，主机的外特性线就从后，主机的外特性线就从1变为变为2，主机与桨的转速，主机与桨的转速n也相应增高，而在此瞬间，也相应增高，而在此瞬间，船速却因其惯性作用尚未增加，推进曲线变船速却因其惯性作用尚未增加，推进曲线变陡成陡成线线，配合点由，配合点由a沿沿线线变为变为a。在。在a点点时主机功率供大干求，导致工作点沿时主机功率供大干求，导致工作点沿线线2到到达达b点点才稳定下来，这样桨的推力增加、船才稳定下来，这样桨的推力增加、船速提高。速提高。可见，加速过程中柴油机工作点的变化可见，加速过程中柴油机工作点的变化不是沿不是沿线线上的上的ab变化，而是沿变化，而是沿aab6变化。变化。如果把如果把a到到b的加速过程分为许多小段进的加速过程分为许多小段进行，即把原先一次增加的喷油量分为多个分行，即把原先一次增加的喷油量分为多个分量进行，则每小段就成为一个小加速过程。量进行，则每小段就成为一个小加速过程。阶段分得愈细，加速过程的工作点的变化路阶段分得愈细，加速过程的工作点的变化路线就越接近于线就越接近于ab线。线。43 二、过渡工况二、过渡工况（功率转速（航速）坐标系）6-5 船、机、桨在变工况时的配合2减速工况减速工况 与加速比较，减速情况则反与加速比较，减速情况则反过来，当主机减油后，主机的外过来，当主机减油后，主机的外特性线就会从特性线就会从 2 变为变为 1，这时转，这时转速速 n 就下降，而船速就下降，而船速V却暂时末却暂时末变，故变，故 J 值增大，在值增大，在 b 点减速时点减速时的推进的推进曲线曲线将低于将低于线线，配合，配合点也将从点也将从 b 转向转向 b，因求大于供，因求大于供，再沿曲线再沿曲线 1 回到回到 a 点。点。曲线曲线为螺旋桨在某一等速航行工况时的推进特性曲线；为螺旋桨在某一等速航行工况时的推进特性曲线；曲线曲线为减速后的螺旋桨推进特性曲线；为减速后的螺旋桨推进特性曲线；曲线曲线1、2 为主机的外特性线；为主机的外特性线；B点点 为船机桨配合点。为船机桨配合点。44三、三、起航和加速时螺旋桨的转速、转矩和航速随时间变化的情况起航和加速时螺旋桨的转速、转矩和航速随时间变化的情况 实践证明：迅速起航和急剧加速，将导致发动机的机械负荷和热负荷过重实践证明：迅速起航和急剧加速，将导致发动机的机械负荷和热负荷过重过高。除紧急情况外，不宜采用这种做法，特别当柴油机的温度还很低，尚未过高。除紧急情况外，不宜采用这种做法，特别当柴油机的温度还很低，尚未达到正常运转温度时，更不宜采用。起航时，慢慢提高螺旋桨的转速，使航速达到正常运转温度时，更不宜采用。起航时，慢慢提高螺旋桨的转速，使航速较缓和地提高，对柴油机的磨损和负荷都有利，虚线所尔即为这种操作情况。较缓和地提高，对柴油机的磨损和负荷都有利，虚线所尔即为这种操作情况。6-5 船、机、桨在变工况时的配合45 述引：述引：在分析在分析定矩桨定矩桨推进装置的工况配合特性后可知：推进装置的工况配合特性后可知：1 1）当当船船舶舶在在的的稳稳定定设设计计满满载载工工况况下下航航行行时时，主主机机能能发发出出全全部部功功率率额额定定扭扭矩矩(M MeHeH )和和额额定