第五章船機(jī)槳工況配合特性

CompanyLogo1、基本概念一、船、機(jī)、槳三者的能量關(guān)系

船舶主機(jī)、螺旋槳和船體三者是一個(gè)能量的平衡系統(tǒng)。主機(jī)是能量的發(fā)生器，螺旋槳為能量的轉(zhuǎn)換器，后者將主機(jī)發(fā)出的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)能使船體運(yùn)動(dòng)。船體為能量的需求者，螺旋槳的推進(jìn)能用于克服船體的運(yùn)動(dòng)阻力。CompanyLogo二、特性、配合與工況1、特性船、機(jī)、槳三者的合理配合，可使能量得到最佳的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，即船、機(jī)、槳系統(tǒng)的相互平衡。這種平衡表現(xiàn)在兩個(gè)方面：運(yùn)動(dòng)的平衡關(guān)系和動(dòng)力的平衡關(guān)系。這些關(guān)系由它們?nèi)吒髯缘奶匦运鶝Q定。CompanyLogo2、特性曲線所謂特性曲線，就是把船、機(jī)、槳三者隨轉(zhuǎn)速變化的一些技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)，分別或集中地用圖表示出來，以了解它們的變化特點(diǎn)、配合關(guān)系和工作范圍等。3、配合點(diǎn)在某一工作條件下，船、機(jī)、槳三者的轉(zhuǎn)速與能量均相等的點(diǎn)稱為“配合點(diǎn)”，也稱“平衡點(diǎn)”。CompanyLogo4、推進(jìn)裝置的工況推進(jìn)裝置的工況，是指船、機(jī)槳三者配合工作時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，包括：以轉(zhuǎn)速n為變量的工況以負(fù)荷Pe(或軸的扭矩Mp)為變量的工況以n（或Vs與Ve或Mp）并同時(shí)均為變量的工況CompanyLogo5、變工況由于船、機(jī)、槳的工作條件總是在不斷變化，因此，船舶在實(shí)際運(yùn)行中常常偏離設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)，我們將那些偏離設(shè)計(jì)負(fù)荷平衡點(diǎn)的工況統(tǒng)稱為變工況。變工況是經(jīng)常發(fā)生的，例如：船舶航行條件的變化操縱方式的變化船、機(jī)、槳自身性能的變化CompanyLogo2、船、機(jī)、漿的基本特性一、船舶柴油機(jī)的基本特性柴油機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中變化的主要參數(shù)為轉(zhuǎn)速和有效功率(或平均有效壓力、或轉(zhuǎn)矩)。1、柴油機(jī)的翰出功率及轉(zhuǎn)矩柴油機(jī)的功率：柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩：CompanyLogo2、柴油機(jī)的特性當(dāng)柴油機(jī)工況發(fā)生變化時(shí)，柴油機(jī)的性能及主要參數(shù)隨工況改變相應(yīng)變化。

所謂柴油機(jī)的特性，就是指柴油機(jī)的性能指標(biāo)及主要參數(shù)與運(yùn)轉(zhuǎn)情況之間的變化關(guān)系，主要有：速度特性、負(fù)荷特性、調(diào)速特性、萬有特性及減額功率輸出特性、限制特性、推進(jìn)特性等。CompanyLogo

（一）速度特性(外特性)

柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，只改變轉(zhuǎn)變n，而Pe保持不變，這種運(yùn)轉(zhuǎn)特性稱為速度特性或外特性。

它表達(dá)柴油機(jī)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速或航速的變化關(guān)系，通常用以表示主機(jī)的工作性質(zhì)。CompanyLogo根據(jù)油泵齒條固定的位置不同，外特性分為以下幾種：1h功率特性12h功率特性標(biāo)定外特性部分外特性（二）調(diào)速特性在調(diào)速器作用下柴油機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的關(guān)系叫做柴油機(jī)的調(diào)速特性。CompanyLogo（三）負(fù)荷特性負(fù)荷特性是指在某一固定不變的轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)的性能參數(shù)隨負(fù)荷戶Pe變化的規(guī)律。負(fù)荷特性的實(shí)際意義：確定非增壓柴油機(jī)的標(biāo)定工況使負(fù)荷特性易測(cè)定，常在柴油機(jī)調(diào)試、改變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)用作檢驗(yàn)調(diào)試效果，所以又稱之為調(diào)整特性作為帶發(fā)電機(jī)工作的特性測(cè)出不同轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性，用于制取萬有特性等，負(fù)荷特性可與速度特性綜合出其它任何一種實(shí)用工況的特性CompanyLogo（四）萬有特性在柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍中，在同一轉(zhuǎn)速下用幾個(gè)不同的噴油量作試驗(yàn)，并將有關(guān)結(jié)果記錄下來；再分別固定各檔轉(zhuǎn)速，供人不同噴油量；進(jìn)行行試驗(yàn)將結(jié)果按P、n、ge、QD等參數(shù)整理繪制成圖，即得萬有特性曲線，如圖所示CompanyLogo（五）柴油機(jī)的推進(jìn)特性當(dāng)柴油機(jī)作為船舶主機(jī)帶螺旋槳，按螺旋槳特性（P=cn3）工作時(shí)，為柴油機(jī)的推進(jìn)特性。推進(jìn)特性的實(shí)際意義：根據(jù)柴油機(jī)的工作能力合理地設(shè)計(jì)、選用螺旋槳確定使用中功率與轉(zhuǎn)速的配合點(diǎn)確定推(拖)船舶在各種工況下的負(fù)荷用以確定船舶的經(jīng)濟(jì)航速CompanyLogo（六）柴油機(jī)減額功率輸出特性降低柴油機(jī)的耗油率的方法之一就是提高氣缸內(nèi)的最大爆發(fā)壓力Pmax與平均有效壓力pe的比值。Pmax是柴油機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)依據(jù)，在設(shè)計(jì)時(shí)已確定，而柴油機(jī)的功率是否Pe和轉(zhuǎn)速n的乘積成正比，一般把最大待續(xù)功率點(diǎn)(MCR)時(shí)的pe值降低，作為新的標(biāo)定點(diǎn)，而此時(shí)的Pmax仍維持與MCR相對(duì)應(yīng)的值不變，這樣就提高了Pmax與Pe的比值，實(shí)現(xiàn)了比MCR低的燃油耗率。CompanyLogo二、船舶航行阻力特性船舶在航行時(shí)，受到空氣和水這兩種介質(zhì)的阻力。一般民用船舶的阻力，以摩擦阻力為主。水對(duì)船體的總阻力與航行速度的m次方成正比即：若航速為Vs時(shí)，其船體總阻力為R，則直接用于克服船體阻力所需的功率PE為CompanyLogo三、船舶螺旋槳推進(jìn)特性船舶螺旋槳推進(jìn)特性主要反映螺旋槳的推力T和扭矩Q、推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ，以及槳的敞水效率等隨船速和進(jìn)速系數(shù)J的變化關(guān)系。式中：CompanyLogo

如右圖所示KT、KQ及其隨J變化規(guī)律和關(guān)系。在給定船舶中，其槳徑為定值，J僅隨Va/n而變化，當(dāng)Va/n為常數(shù)時(shí)，KT、KQ為定值，故槳的有效推力Te和轉(zhuǎn)矩Q與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即CompanyLogo

螺旋槳所需的功率可寫成：

式中的Q用上頁公式代入可知Pp與轉(zhuǎn)速的立方成正比左圖示出了在不同進(jìn)速J時(shí)，T（Q）和Pn與n之間的函數(shù)關(guān)系，可知：當(dāng)n一定時(shí)，隨J的減小，T（Q）和Pp均要相應(yīng)增大：J保持不變時(shí)，T與Q兩參數(shù)均隨n的平方成比例關(guān)系。CompanyLogo四、航速與轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換關(guān)系在船的阻力特性是用其隨航速的變化關(guān)系來表示的，螺旋槳及主機(jī)的特性則是用其主要技術(shù)參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系來表示的。因此，必須了解航速與轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系，建立兩者能夠相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系式。船舶在穩(wěn)定工況航行時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生的有效推力和船舶阻力R是相等的，即：CompanyLogo故由和可得對(duì)于已設(shè)計(jì)建造的船舶，其線性與尺度是已定的，當(dāng)船舶的航行狀態(tài)也保持一定時(shí)，上式的系數(shù)AR、CT可看成常數(shù)。

令，則n=KVs，即為航速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。CompanyLogo3、船、機(jī)、漿的能量轉(zhuǎn)換與配合性質(zhì)一、推進(jìn)裝置機(jī)械能的傳遞過程船舶主機(jī)的功率在傳遞至螺旋槳的過程中，有一系列損失THP(推力功率)DHP（收到功率）SHP（軸功率）BHP持續(xù)功率

IHP指示功率CompanyLogo二、推進(jìn)裝置功率轉(zhuǎn)換計(jì)算指示功率持續(xù)功率CompanyLogo軸功率螺旋槳收到功率CompanyLogo推力功率船體有效功率CompanyLogo三、機(jī)、槳的配合性質(zhì)1、工作區(qū)域的劃分

螺旋槳的設(shè)計(jì)負(fù)荷點(diǎn)，或主機(jī)的最大持續(xù)輸出點(diǎn)，均要求兩者能在所允許運(yùn)行的工作區(qū)域選取一個(gè)機(jī)、槳合理配合的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

不同的機(jī)型其工作區(qū)域劃分范圍是有差別的。

CompanyLogo2、螺旋槳設(shè)計(jì)負(fù)荷點(diǎn)的確定

螺旋槳的設(shè)計(jì)負(fù)點(diǎn)是指機(jī)、槳額定工況的配合點(diǎn)，它與設(shè)計(jì)時(shí)所選定的機(jī)、槳特性曲線有關(guān)，將它們的性能曲線示于同一個(gè)功率-轉(zhuǎn)速特性圖上，其交點(diǎn)即為配合點(diǎn)。理論上，此點(diǎn)是通過100%Pmc、100%Pe和100%nn的MCR點(diǎn)；但在實(shí)船營(yíng)運(yùn)過程中，這個(gè)配合點(diǎn)往往會(huì)發(fā)生變化。CompanyLogo3、儲(chǔ)備的主要方法功率儲(chǔ)備法轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備法阻力儲(chǔ)備法

除這三種方法外，有將阻力增加某一百分比，又對(duì)在100%轉(zhuǎn)速時(shí)的主機(jī)打一定折扣來設(shè)計(jì)螺旋槳；也有在設(shè)計(jì)時(shí)先不考慮儲(chǔ)備，待算出螺旋槳參數(shù)后憑經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)加以修正。CompanyLogo4、典型推進(jìn)裝置的特性與配合一、單機(jī)單槳直接傳動(dòng)1、基本原理

忽略傳動(dòng)機(jī)組及軸系的傳動(dòng)損失，柴油機(jī)所發(fā)出的功率PD須等于螺旋槳所吸收的功率PP。柴油機(jī)的特性PD=cn和螺旋槳的推進(jìn)特性曲線Pp=Cpn3變化規(guī)律不同，在某一穩(wěn)定工況條件下，兩者的配合只能在一點(diǎn)相交。CompanyLogo2、單機(jī)直接帶槳的特點(diǎn)

它是由一臺(tái)柴油機(jī)，通過油系直接帶動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)裝置。其特點(diǎn)是Pmc=Pp；MD=MP；nD=nP這種主機(jī)與槳直接連接的裝置，只要通過改變油門，主機(jī)的平均有效壓力Pe就會(huì)變化，并使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，使二者獲得新的配合。CompanyLogo3、配合特性（一）機(jī)配槳工作的配合假定船舶在按其所要求的航速正常航行，其機(jī)槳配合點(diǎn)在某處，在外界條件不變的情況下，若要求船速大于正常航速，只要加大油門，使主機(jī)的Pe增加，主機(jī)和螺旋槳的轉(zhuǎn)速就會(huì)增加，配合點(diǎn)也會(huì)移動(dòng)至相應(yīng)點(diǎn)，這樣船速就快了。反之，也可實(shí)現(xiàn)減速航行。CompanyLogo（二）槳配機(jī)工作的配合

柴油機(jī)直接帶槳，無論槳重或槳輕，其功率均會(huì)降低，故這種柴油機(jī)直接帶槳的推進(jìn)裝置，適合于工況改變較少的船舶。CompanyLogo二、減速齒輪箱傳動(dòng)1、特點(diǎn)柴油機(jī)的功率是通過減速齒輪箱后傳送給螺旋槳的。如忽略功率在傳遞中的各種損失，則：2、特性具有節(jié)能效果CompanyLogo三、雙機(jī)并車1、特點(diǎn)由兩臺(tái)主機(jī)各自通過離合器后共同經(jīng)過減速齒輪箱帶動(dòng)一個(gè)螺旋槳，即：CompanyLogo2、特性如右圖所示，B點(diǎn)為一臺(tái)機(jī)開全功率時(shí)與螺旋槳推進(jìn)曲線的配合點(diǎn)。在B點(diǎn)以下由于螺旋槳所吸收的功率本來就很小，如果仍開兩臺(tái)，就會(huì)造成耗油率的增加；如果只開一臺(tái)，功率就得到較充分利用，耗油率也相應(yīng)變低。CompanyLogo四、一機(jī)分車傳動(dòng)1、裝置特點(diǎn)單機(jī)功率是通過齒形帶輪經(jīng)離合器減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)雙槳的。2、特性其實(shí)際推進(jìn)曲線將變陡，主機(jī)的負(fù)荷也偏離額定負(fù)荷較遠(yuǎn)，一般耗油率也高，故非必要情況，一般航行均不使用。CompanyLogo五、多機(jī)多槳傳動(dòng)1、裝置簡(jiǎn)圖運(yùn)輸船舶采用的多機(jī)多槳裝置中，多數(shù)為雙機(jī)雙槳推進(jìn)裝置，如下圖所示：CompanyLogo2、特性操縱性較好生命力較強(qiáng)所采用的單機(jī)功率較小，這在機(jī)艙尺寸受限制時(shí)是有意義的，它有利于采用中、高速柴油機(jī)實(shí)行減速傳動(dòng)適應(yīng)性較強(qiáng)CompanyLogo5、船、機(jī)、槳在變工況時(shí)的配合一、系泊工況

船舶在建成或大修下水后，或是在試航以前，都要作系岸試驗(yàn)，以檢驗(yàn)裝置的設(shè)汁、安裝和調(diào)試工作是否符合要求。機(jī)、槳在船舶系岸(不運(yùn)動(dòng))的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，稱為系泊工況。

CompanyLogo右圖中，曲線1為螺旋槳設(shè)計(jì)狀態(tài)的推進(jìn)特性曲線；曲線2是系泊時(shí)槳的推進(jìn)特性曲線，OA為主機(jī)標(biāo)定外特線；A為標(biāo)定設(shè)計(jì)工況的機(jī)、槳配合點(diǎn)；B為系泊工況的配合點(diǎn)。CompanyLogo

可見，在系泊工況時(shí)，配合點(diǎn)B處的功率PB比額定值Pmc小得多，其轉(zhuǎn)速也比標(biāo)定值低，通常nB=（0.80---0.85)nn，并且發(fā)生在OA左側(cè)的短時(shí)工作區(qū)域，故在做系泊試驗(yàn)時(shí)，必須充分顧及這一點(diǎn)，不能把主機(jī)轉(zhuǎn)速開到標(biāo)定值，否則主機(jī)將發(fā)生超負(fù)荷運(yùn)行，并可導(dǎo)致某些機(jī)務(wù)事故CompanyLogo二、過渡工況過渡工況主要反映船舶在起航、加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)與倒車等變化過程的動(dòng)態(tài)特性。機(jī)、槳在這些工況下工作和配合，條件往往比較惡劣，容易發(fā)生超負(fù)荷現(xiàn)象，駕駛和輪機(jī)人員操作時(shí)必須特別注意。CompanyLogo1、起航和加速工況船在起航之初，猶如系泊工況，槳的推進(jìn)曲線較陡，油門不宜開得過大。起航和航行中的加速過程，螺旋槳所發(fā)出的有效推力，除用來克服船舶在該航速下的阻力外，還有一部分須用在船舶加速時(shí)克服自身的慣性力，即:由上述可知，船舶加速航行時(shí)比等速航行時(shí)，主機(jī)要供給更大的功率。CompanyLogo2、倒航（反轉(zhuǎn)）工況

船舶在進(jìn)出繁忙的港口、狹小復(fù)雜的航道或在氣候惡劣的情況下骯行時(shí)，要進(jìn)行頻繁的倒車操縱，以防兩船相撞、觸礁等事故，船舶離、靠碼頭，更要頻繁倒車。CompanyLogo3、雙槳推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)彎工況（一）雙槳船轉(zhuǎn)彎過程船舶的轉(zhuǎn)彎是靠舵來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)彎時(shí)，特別是急轉(zhuǎn)彎、主機(jī)的負(fù)荷將增加，尤其是內(nèi)機(jī)(船舶轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)的主機(jī))將劇烈增加。船舶在轉(zhuǎn)彎時(shí)船速及螺旋槳處水流的大小和方向均在不斷變化，兩只螺旋槳的負(fù)荷也是在不斷變化的CompanyLogo（二）轉(zhuǎn)彎時(shí)槳的負(fù)荷變化

船舶轉(zhuǎn)彎時(shí)，螺旋槳處于斜水流中，也增加了槳的阻力矩。內(nèi)槳與外槳相比，流