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1、项目五项目五船舶主推进动力装置的工况配船舶主推进动力装置的工况配合特性及管理合特性及管理任务二任务二知识点知识点11船舶推进装置工况配合船舶推进装置工况配合11船船(vessel)(vessel)、机、机(engine)(engine)、桨、桨(propeller)(propeller)的的特性特性22船、机、桨的相互作用船、机、桨的相互作用33柴油机和螺旋桨的选配柴油机和螺旋桨的选配44典型推进装置的机桨配合特性典型推进装置的机桨配合特性55调距桨装置的机、桨配合特性调距桨装置的机、桨配合特性一、船、机、桨的特性一、船、机、桨的特性船舶推进装置是将主机产生的能量通过传动设备传递船舶推进装置是
2、将主机产生的能量通过传动设备传递到螺旋桨产生推力、克服船舶阻力使船舶运动的一套装置到螺旋桨产生推力、克服船舶阻力使船舶运动的一套装置。通常它有五部分配合共同工作。通常它有五部分配合共同工作。主机：主机：能量发生器。能量发生器。传动设备传动设备:以尽可能小的能量损失将主机产生的能量传递以尽可能小的能量损失将主机产生的能量传递给螺旋桨。给螺旋桨。轴系轴系:连接主机（传动设备）和螺旋桨。连接主机（传动设备）和螺旋桨。推进器：推进器：能量转换器，阻力变，桨特性变能量转换器，阻力变，桨特性变船体：船体：能量吸收器，装载量变、污底、航道等变化引起船能量吸收器，装载量变、污底、航道等变化引起船舶阻力变化。舶
3、阻力变化。任务五任务五船舶推进装置工况配合11船体的阻力特性船体的阻力特性船舶航行时，其水下部分受到水的阻力，水上船舶航行时，其水下部分受到水的阻力，水上部分受到空气的阻力。在一般气候情况（部分受到空气的阻力。在一般气候情况（3434级风）级风）下，水力阻力是主要的，空气阻力很小，可忽略不下，水力阻力是主要的，空气阻力很小，可忽略不计。但当风力较强时，空气阻力则不应忽略。船舶计。但当风力较强时，空气阻力则不应忽略。船舶的水阻力包括：摩擦阻力、形状阻力（漩涡阻力）的水阻力包括：摩擦阻力、形状阻力（漩涡阻力）和兴波阻力。和兴波阻力。22船舶柴油机的基本特性船舶柴油机的基本特性柴油机的特性：就是指柴
4、油机的性能指标及主要参数柴油机的特性：就是指柴油机的性能指标及主要参数与运转情况之间的变化关系，主要由速度特性、负荷特性与运转情况之间的变化关系，主要由速度特性、负荷特性、推进特性和限制特性等表示。、推进特性和限制特性等表示。nn也称作外特性。也称作外特性。nn柴油机试验台上测定，将喷油量调节机构固定在某一位置，改变柴油机试验台上测定，将喷油量调节机构固定在某一位置，改变负荷，使转速变换。负荷，使转速变换。nn全负荷速度特性：标定转速发出标定功率的供油位置，标准试验全负荷速度特性：标定转速发出标定功率的供油位置，标准试验环境（大气压环境（大气压pp00=100kpa=100kpa，相对湿度，相
5、对湿度00=30%=30%无限航区无限航区60%60%，环境，环境温度温度TT00=298K318K=298K318K）及持续功率下测定。）及持续功率下测定。nn超负荷速度特性：超负荷功率为标定功率的超负荷速度特性：超负荷功率为标定功率的110%110%（对应（对应103%neb103%neb），并且在），并且在12h12h运转期内允许超负荷运转运转期内允许超负荷运转1h1h。nn部分负荷速度特性：喷油泵油量固定在小于标定功率油量部分负荷速度特性：喷油泵油量固定在小于标定功率油量速度特性nn试验台或实船条件下测取。试验台或实船条件下测取。nn发电副机和装有全制式调速器的主机，在设定发电副机和装
6、有全制式调速器的主机，在设定转速不变下，当负荷变化转速保持不变时，可转速不变下，当负荷变化转速保持不变时，可认为按负荷特性工作。认为按负荷特性工作。nn负荷特性是标志柴油机动力性与经济性的基本负荷特性是标志柴油机动力性与经济性的基本指标特性。指标特性。nn作用：比较不同柴油机的性能，评价同一柴油作用：比较不同柴油机的性能，评价同一柴油机的结构设计改变或调速后的效果；标定柴油机的结构设计改变或调速后的效果；标定柴油机功率；绘制万有特性曲线。机功率；绘制万有特性曲线。负荷特性3.3.螺旋桨的特性螺旋桨的特性nn桨的结构和几何参数桨的结构和几何参数nn桨叶靠近桨縠的部分叫叶根，桨叶靠近桨縠的部分叫叶
7、根，最外端叫叶梢最外端叫叶梢nn从船艉向船首看，看到的叶面从船艉向船首看，看到的叶面叫压力面，叫压力面，nn另一面叫吸力面。另一面叫吸力面。nn按正车旋转，先入水的一边叫按正车旋转，先入水的一边叫导边，导边，nn后入水的一边叫随边。后入水的一边叫随边。nn桨旋转时，叶梢顶尖划出的圆桨旋转时，叶梢顶尖划出的圆叫叶梢圆，叫叶梢圆，nn叶梢圆的直径叫桨径叶梢圆的直径叫桨径nn各参数的考虑各参数的考虑nn桨径越大桨径越大桨效率越大桨效率越大但取决于船的类型和设计但取决于船的类型和设计及强度。及强度。nn桨叶数可取桨叶数可取23452345或或6.6.如直径及展开面积相同如直径及展开面积相同，桨叶数越少
8、，桨叶数越少桨效率越高桨效率越高但强度差。但强度差。nn大功率船一般取大功率船一般取44或或55叶桨。叶桨。nn叶片数越多叶片数越多振动越小。振动越小。nn盘面比越大盘面比越大空泡产生的可能性越小，但加工面积空泡产生的可能性越小，但加工面积增，价格增。增，价格增。根据螺旋桨理论，桨根据螺旋桨理论，桨的推力的推力FF和转矩和转矩MM符合下列符合下列公式公式:F=KF=KFFnnppDD44M=KM=KMMnnpp22DD55式中，式中，-水的密度，水的密度，KgmKgm33；D-D-螺螺旋桨直径，旋桨直径，mmnnpp螺旋桨转速，螺旋桨转速，rminrmin；KKFF推力系数；推力系数；KKMM
9、-转转矩系数。矩系数。KFKF、KMKM取决于航行工况，均为螺旋桨进程比取决于航行工况，均为螺旋桨进程比AA。的函数。它们之。的函数。它们之间的变化关系由实验测得，如图间的变化关系由实验测得，如图512512所示。所示。船舶在各种航行状态时（如轻载、重载、拖带等船舶在各种航行状态时（如轻载、重载、拖带等），螺旋桨就处于不同的工作状态，其推力、扭矩和），螺旋桨就处于不同的工作状态，其推力、扭矩和转速间的关系可以用一组二次方曲线族表示，如图转速间的关系可以用一组二次方曲线族表示，如图5-5-13(a)13(a)所示，图中实线表示推力：一转速特性；虚线表所示，图中实线表示推力：一转速特性；虚线表示扭
10、矩一转速特性。示扭矩一转速特性。定螺距螺旋桨的功率特性与转速定螺距螺旋桨的功率特性与转速nnpp呈三次方关系，其具体曲线形态随船舶航行工况而呈三次方关系，其具体曲线形态随船舶航行工况而变，亦即随进程比变，亦即随进程比pp而变而变见图见图5-13(b)5-13(b)可调螺距螺旋桨的功率一转速曲线的形态还与第二变可调螺距螺旋桨的功率一转速曲线的形态还与第二变量量HDHD有关；当船体阻力条件不变时（即有关；当船体阻力条件不变时（即pp=某值某值CC时）时）螺距每调整一次，特性曲线就变动一次，螺距每调整一次，特性曲线就变动一次，HDHD愈大，特性愈大，特性曲线就愈陡，如图曲线就愈陡，如图5-145-1
11、4。二、船、机、桨的相互作用二、船、机、桨的相互作用在船舶推进系统中，船、机、桨三者处在同一推进系统中在船舶推进系统中，船、机、桨三者处在同一推进系统中，组成了一个统一的整体。当船舶在某一工况下稳定航行时，组成了一个统一的整体。当船舶在某一工况下稳定航行时，同时也决定了机、桨的运转点。在稳定运转条件下，若不计传同时也决定了机、桨的运转点。在稳定运转条件下，若不计传动损失，主机发出的功率动损失，主机发出的功率PPee和转矩和转矩MMee等于螺旋桨的吸收功率等于螺旋桨的吸收功率PPpp和和转矩肘转矩肘MMpp同时螺旋桨产生的推力又与船体运动时所产生的阻力同时螺旋桨产生的推力又与船体运动时所产生的阻
12、力相平衡。相平衡。nn第一，它们之间有着机械连接，也就存在着运动方面的相第一，它们之间有着机械连接，也就存在着运动方面的相互作用。互作用。nn第二，船、机、桨之间存在着液力相互作用。第二，船、机、桨之间存在着液力相互作用。nn第三，从能量角度看，主机是能量的发生器，螺旋桨是能第三，从能量角度看，主机是能量的发生器，螺旋桨是能量的转换器，而船体则是能量的消耗者，因此船、机、桨构量的转换器，而船体则是能量的消耗者，因此船、机、桨构就成了一个有机的统一能量转换系统。就成了一个有机的统一能量转换系统。nn第四，由于它们之间存在着以上机械、液力和能量方面的第四，由于它们之间存在着以上机械、液力和能量方面
13、的相互关系，所以它们的性能必将在船舶航行中相互制约。相互关系，所以它们的性能必将在船舶航行中相互制约。三、柴油机和螺旋桨的选配三、柴油机和螺旋桨的选配11柴油机和螺旋桨选配的原则柴油机和螺旋桨选配的原则柴油机与螺旋桨正确配合的一般原则是：既使柴油机的功率柴油机与螺旋桨正确配合的一般原则是：既使柴油机的功率得到充分利用，又使柴油机的功率在全部运转范围内都不会得到充分利用，又使柴油机的功率在全部运转范围内都不会超出允许值。超出允许值。22机、桨配合的影响因素机、桨配合的影响因素(1)(1)螺旋桨结构参数对机、桨螺旋桨结构参数对机、桨配合的影响配合的影响螺旋桨的主要结构参数螺旋桨的主要结构参数直径直
14、径DD或螺距比或螺距比HDHD不同不同，螺旋桨特性也不同。图，螺旋桨特性也不同。图5-5-1616给出了三个不同螺距比的给出了三个不同螺距比的螺旋桨特性曲线（在此我们螺旋桨特性曲线（在此我们认为螺旋桨特性等于柴油机认为螺旋桨特性等于柴油机推进特性）。推进特性）。(2)2)船舶阻力对机桨配合点的影响船舶阻力对机桨配合点的影响船舶阻力变化引起螺旋桨的工作状况变化以螺旋桨的进程比船舶阻力变化引起螺旋桨的工作状况变化以螺旋桨的进程比pp来表示。在船舶航行时，当船舶阻力增大（重载、污底、逆风来表示。在船舶航行时，当船舶阻力增大（重载、污底、逆风、顶流、浅水窄航道航行等）或运动状态改变（系泊、起航、转、顶
15、流、浅水窄航道航行等）或运动状态改变（系泊、起航、转弯、倒航等）时，会使弯、倒航等）时，会使pp减小，螺旋桨的特性线变陡，如图减小，螺旋桨的特性线变陡，如图5-175-17所示。所示。33柴油机的功率和转速的使用范围柴油机的功率和转速的使用范围最高负荷限制线：一般来说，发动机要长时间连最高负荷限制线：一般来说，发动机要长时间连续运转，工作范围只能在额定工作曲线以下，使续运转，工作范围只能在额定工作曲线以下，使PPee100%100%，通常取，通常取PPee=85%90%=85%90%为宜。为宜。最低负荷限制：以额定功率的最低负荷限制：以额定功率的55%55%左右作为低负荷左右作为低负荷限制线，
16、非增压机比增压机限制值稍低。限制线，非增压机比增压机限制值稍低。最低稳定转速限制：一般规定：大型低速机为最低稳定转速限制：一般规定：大型低速机为标定转速的标定转速的30%30%左右；中高速机为标定转速的左右；中高速机为标定转速的40%45%40%45%。热负荷限制曲线：增压柴油机当转速降低至热负荷限制曲线：增压柴油机当转速降低至85%85%左右以下，如果喷油量仍然很大，由于过量空气不左右以下，如果喷油量仍然很大，由于过量空气不足，会引起发动机后燃严重，造成增压器透平前排足，会引起发动机后燃严重，造成增压器透平前排气温度过高，热负荷超过允许范围，导致增压器的气温度过高，热负荷超过允许范围，导致增压器的损坏。因此制造厂在柴油机出厂说明书中注有这类损坏。因此制造厂在柴油机出厂说明书中注有这类热负荷限制特性线。热负荷限制特性线。四、典型推进装置的机桨配合特性11单机单桨直接传动配合特性单机单桨直接传动配合特性(1)(1)基本原理基本原理如果不计传动机组（齿轮
