读万卷书 行万里路 259 第六章 柴油机的调速和操纵 第一节 柴油机的调速 柴油机调速装置的作用是通过改变油量调节机构， 将柴油机的转速调节到规定的转速范柴油机调速装置的作用是通过改变油量调节机构， 将柴油机的转速调节到规定的转速范 围，并且根据柴油机负载的大小自动调节供油量，使其转速维持在一规定范围内围，并且根据柴油机负载的大小自动调节供油量，使其转速维持在一规定范围内 一、柴油机调速的必要性 船舶柴油机主要用作船舶主机带动螺旋桨和作为船舶副机带动发电机船舶推进主机与 发电用柴油机的运转条件和要求不同，因而对调速的要求也不同 1 1船舶主机的调速船舶主机的调速 船舶主机（直接驱动螺旋桨）因船舶航速要求 而需变转速运转，其工作特性为柴油机推进特性 （ 3 cnNe=） ，它与螺旋桨配合工作特性曲线如图 6-1-1 所示图中曲线为速度特性，为柴油机推 进特性稳定工作点为B点，柴油机的有效功率与桨 的阻力功率相等若在外界负荷不变情况下增加喷油 泵的供油量，使其速度特性曲线变为 ，由图 6-1-1 可见在油量增加瞬时，柴油机的有效功率大于在原运 转点B时桨的阻力功率，柴油机的转速增加。
当达到 新的稳定运转点B 时，两者功率重新相等，即柴油机 稳定运转在较高的转速下反之，若减少供油量，则柴油机在较低的转速下稳定运转因此， 变更柴油机喷油量可有效地对柴油机进行调速若喷油泵的供油量不变而外负荷增加（如海 面阻力增加） ，使曲线左移至 与曲线交点为C，在曲线变化的瞬时，桨阻力功率大 于柴油机有效功率，使柴油机转速降低至 c n时两者功率重新平衡而稳定运转反之，若外负 荷降低，则柴油机在较高的转速下稳定运转因此，船舶主机有自动改变转速以适应外界负 图 6-1-1 柴油机与螺旋桨的配合特性 读万卷书 行万里路 260 荷变化的能力综上所述，船舶主柴油机有自动调速能力若不严格要求转速恒定不变，则 不必装调速器但为了防止主机运转中断轴、螺旋桨失落或出水等造成柴油机超速飞车，根 据我国有关规范规定，船舶主机必须安装可靠的调速器（限速器） ，使主机转速不超过 115% 标定转速 不装调速器的船舶主机虽然可以稳定运转，但其转速将随外界负荷的变化而变化这种 变化将对柴油机的可靠性、寿命和经济性带来不良影响现代船舶柴油机为了避免这种变化 对柴油机的不良影响，均装有全制式调速器它可以在柴油机的全部转速范围内，保证在任 意设定的转速下稳定运转。
2 2船舶发电柴油机的调速船舶发电柴油机的调速 船舶发电用柴油机要求在外界负荷（用电量）变化时能保持恒定的转速，以保证发电机 的电压和频率恒定发电柴油机未装调速器，若外界负荷减少而喷油量不变，则柴油机的功 率就会大于外负荷而使转速升高，转速升高后又进一步扩大了功率的不平衡，使转速继续升 高以致发生飞车，反之，若外界负荷增加而喷油量不变，柴油机转速就会降低并最终导致停 车所以，发电柴油机必须装设定速调速器，保证负荷变化时柴油机的转速基本不变 二、调速器的类型 1 1按调速范围分类按调速范围分类 （1）极限调速器（限速器）极限调速器（限速器） 只用于限制柴油机的最高转速不超过某规定值，在转速 低于此规定值时不起调节作用此种调速器仅用于船舶主机，目前已很少单独使用 （2）定速（单制）调速器定速（单制）调速器 在负荷变化时能使柴油机转速保持在规定范围内此种调 速器应用于发电柴油机通常，为满足多台柴油机并联运行的要求，本调速器一般有10% 标定转速的可调范围 （3）双制式调速器双制式调速器 能维持柴油机的最低运转转速并可限制其最高转速其中间转速 由人工手动调节。
此种调速器用于对低速性能要求较高或带有离合器的中小型船用主机 （4）全制式调速器全制式调速器 在从最低稳定转速到最高转速的全部运转范围内，均能自动调节 喷油量以保持任一设定转速此种调速器广泛用于船舶主机及柴油机发电机组 2 2按执行机构分类按执行机构分类 （1）机械式（直接作机械式（直接作用式）调速器用式）调速器 它是直接利用飞重产生的离心力去移动油量调节 机构以调节柴油机的转速 （2）液压（间接作用式）调速器液压（间接作用式）调速器 它是通过液压伺服器将飞重产生的离心力加以放大， 读万卷书 行万里路 261 使用放大后的动力去移动油量调节机构 （3）电子调速器电子调速器 转速信号监测或/和执行机构采用电气方式的调速器 三、超速保护装置 船用柴油机除按规定和使用要求需装设上述调速器外，为了防止在调速器损坏时造成柴 油机超速损坏，确保柴油机运转安全，按我国有关规定，凡标定功率大于 220kW 的船用主机 和船用发电柴油机还应分别装设超速保护装置， 以防止主机转速超过 120%标定转速和发电柴 油机转速超过 115%标定转速此种超速保护装置是一种运转安全装置，它与调速器不同，它 只能限制柴油机转速，本身无调速特性，在柴油机正常运转范围内不起作用，只在柴油机转 速达到规定限值才发生动作使柴油机立即停车或降速。
按规定，超速保护装置必须与调速器 分开设立而独立工作，无论柴油机的操纵机构处于什么状态，该装置的保护性动作必须迅速 而准确 通常，该装置由转速监测器、伺服机构和停车机构等三部分组成转速监测器对曲轴转 速随时进行测定和监测当转速达到规定限值时，发出准确而稳定的信号，触发伺服机构动 作伺服机构的动作具有足够的强度与幅度，保证在任何情况下均能带动停车机构立即切断 燃油供应或停止气缸进气，使柴油机停车 按对转速的测定方式，转速监测器有三种类型：离心式、电磁式和气压式离心式利用飞块 弹簧测定转速，多用于中型柴油机；电磁式利用电磁感应原理测定转速，多用于中、低速 柴油机；气压式利用增压空气压力测定转速，仅用于机械增压的小型柴油机伺服机构有弹 簧式、气压式、液压式弹簧式结构简单，但需人工复位；气压式和液压式结构复杂，维护 复杂，但动作作用力大且可以自动复位 四、调速器的性能指标 读万卷书 行万里路 262 调速器的性能好坏直接影响柴油机运转的稳定性和可靠性调速器装机后，在柴油机性 能鉴定时，应对柴油机进行突变负荷试验，同时用转速自动记录仪记录柴油机的转速随时间 的变化曲线，用以分析调速器的工作性能。
图 6-1-2 所示曲线即为柴油机进行突变负荷试验 时得到的调速过程转速变化曲线柴油机先在空载转速nomax下稳定运转，稳定运转时转速的 微小波动是由于柴油机工作过程特点及调速系统的特性所决定的在某瞬时突加全负荷，转 速立即下降，瞬时转速下降到最低瞬时转速nmin此后由于调速器的调节，转速又回升，经 过一段时间ts并经数次收敛性波动后，转速稳定在全负荷稳定转速nb此调节过程称调节的 过渡过程试验还可以从其后某点突卸全负荷开始，转速突然增高至最高瞬时转速nmax，由 调速器的调节，转速又下降，经过ts时间后，转速又稳定在空载转速nomax 据此，评定调速器性能有以下两种工作指标： 1 1静态指标静态指标 l）稳定调速率2 稳定调速率2（静态速差率、速度降）定义：指当操纵手柄在标定供油位置时，空载转 速nomax与标定转速nb之差同标定转速nb比值的百分数，即： %100 max 2 = b bo n nn （6-1-1） 稳定调速率2用来衡量调速器的准确性，其值愈小，表示调速器的准确性愈好2在 国外称速度降（Speed droop） 。
对单台柴油机运转允许2=0，表示该柴油机将不随外界负荷 变化而保持恒速运转但在几台柴油机并联工作时，为使各机负荷分配合理，各机的2必须 图 6-1-2 调速过程的转速变化 读万卷书 行万里路 263 相等且不得为零对2的要求应根据柴油机的用途而定我国有关规范规定，船用主机的 210% ；交流发电机的25% 2）转速波动率或转速变化率 用来表征在稳定运转时柴油机转速的变化程度，主要是由柴油机回转力矩不均匀和调速 系统摩擦阻力、间隙引起的但两者的定义不同 转速波动率 %100 )( minmax = m mcc n nnn （6-1-2） 转速变化率 %100 minmax = m cc n nn （6-1-3） 式中：ncmax测定期间的最高转速，r/min； ncmin测定期间的最低转速，r/min； nm测定期间的平均转速，r/min，nm=(ncmax+ncmin)/2 一般，在标定工况时(0.250.5)%；(0.51)% 3）不灵敏度 当柴油机在一定负荷下稳定运转时，由于调速机构中存在间隙、摩擦和阻力等，若转速 稍有变化，调速器并不能立即改变供油量。
直到转速变化量足够大时调速器才能开始起到调 节供油的作用这种现象称调速器的不灵敏性我国用不灵敏度表示不灵敏区域的大小 令： %100 12 = m n nn （6-1-4） 式中：n1柴油机转速减少时，调速器开始起作用的转速，r/min； n2柴油机转速增加时，调速器开始起作用的转速，r/min； nm柴油机平均转速，r/min，nm=(n1+n2)/2 不灵敏度过大会引起柴油机转速不稳定，严重卡阻时会导致调速器失去作用发生飞车， 一般规定在标定转速时(1.52)%；而在最低稳定转速时(1013)% 2 2动态指标动态指标 动态指标是用以评定调速系统过渡过程的性能（稳定性）指标，参见图 6-1-2 读万卷书 行万里路 264 1）瞬时调速率1 突卸全负荷瞬时调速率 %100 max 1 = + b b n nn （6-1-5） 式中：nmax突卸 100%负荷时的最高瞬时转速； nb突卸 100%负荷前的稳定转速（标定转速） 突加全负荷瞬时调速率 %100 maxmin 1 = b o n nn （6-1-6） 式中：nmin突加 100%负荷时的最低瞬时转速； nomax突加 100%负荷前的稳定转速（空载转速） 。
我国有关规范要求发电柴油机的 + 1 10%； 1 （突加 50%后再加 50%全负荷）10% 2）稳定时间ts 指从突加（或突减）全负荷后转速刚偏离最高空载转速的波动范围（或标定转速的波动 范围）到转速恢复到标定转速的波动范围（或最高空载转速的波动范围）为止所需时间（s） 我国有关规范规定，交流发电机ts5s 1和ts表明调速机组动态特性，其值小表明机组（包括调速器）动态特性好，灵敏， 易稳定 为什么负荷变化，调速器不能使柴油机立即稳定下来呢（为什么有1和ts）？这是因 为： （1）柴油机转速变化不能马上产生调油动作柴油机转速变化不能马上产生调油动作调速器和油量调节机构有一定的惯性和 阻力只有当推动力（例如离心力和弹簧力差值）达到一定值时，才能克服阻力、惯性力产 生调油动作 （2） 调油动作并不能使柴油机转速立即跟着变调油动作并不能使柴油机转速立即跟着变 化化 柴油机及所带动的负载具有一定的 “惯性” （ “惯 性”包含了真正的惯性，还包含增压柴油机加载性 能等） 柴油机转速变化总是落后于调油动作一定的 时间 “惯性”增压比非增压柴油机严重，高增压比 低增压柴油机严重，定压增压比脉冲增压严重。
液压调速器工作能力大，可产生足够大的加速 图 6-2-1 机械式调速器工作原理 1-转轴；2-飞重座架；3-飞重；4-套筒；5-调速弹 簧；6-本体；7-转速调节螺钉；8-油量调节杆 读万卷书 行万里路 265 度，调油。