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1、第三章 船舶推进装置的工况配合特性,31船、机、桨的基本工作特性 一、船、机、桨的能量关系 船舶主机其工作实质为燃烧燃料，输出扭矩。 传动设备其工作实质为输入扭矩，输出扭矩。 推进器 其工作实质为输入扭矩，输出推力。 船体 二、船体的阻力特性 船航行时，其水下部分受到水的阻力，其水上部分受到空气的阻力。 在一般情况下（34级风），空气阻力很小，水的阻力是主要的。 当风的级别高时，空气阻力则不可低估。,船体的水阻力包括摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力三种： 摩擦阻力：由于水有一定的粘性，当船舶航行时， 水与船体表面发生摩擦而产生一种阻止船舶前 进的力，叫做摩擦阻力； 形状阻力：船舶有一定的形状，当船
2、舶前进时，尾 部产生涡旋低压区，船的首部受到的水压力大 于尾部，因此受到一个水的压差阻力，这个阻 力的大小与船体形状有关，所以叫做形状阻力 (也称涡旋阻力)； 兴波阻力：船舶前进时给水以作用力掀起波浪，而 水必然给船体以反作用力，这种阻力称为兴波 阻力。,在船舶的水阻力中，一般形状阻力约占总阻力的10。低速民用船舶摩擦阻力很大。甚至可达总阻力的80。高速船舶的摩擦阻力约占总阻力的40，一而兴波阻力很大，可达总阻力的50以上。 船舶所受的水阻力和船速有关。船模或实船试验表明，水对船体的总阻力约与船速的m次方成正比，即： R=ARV m (3-1) 式中：R水对船体的总阻力，N； V船速，kn；
3、AR阻力系数，与船体线型、排水量、 污底程度、拖带、航道及海情等因素 有关； m指数，对于航速不高的民用船舶来 说，可取m=2，对水翼船及滑行艇可参 考有关资料。,若航速为V时其船体总阻力为R，则克服阻力所需的功率PE，为： PE=( RV/1.94)10-3 kW (32) 式中：R船体阻力，N； V船速，kn。 由以上两个公式可知，阻力约与航速m次方成正比变化，功率则约与航速的三次方成正比。 各种船型其阻力和所需功率随船速变化的规律有很大差异，图31所示为不同船型的有效功率变化曲线。 图32表示一般船舶在不同工况下的阻力一航速关系曲线和功率一航速关系曲线。,三、螺旋桨推进特性 船舶螺旋桨推
4、进特性主要反映螺旋桨的推力T、转矩Q、推力系数kt转矩系数kq以及螺旋桨的敞水效率0等随船速(转速)和进速系数(进程比)J的变化关系，即：,J=Vj/(njD) (3-3) kt=T/(ns2D4) (3-4) kq= Q/(ns2D5) (3-5) 0= TVj/( Q2ns)= ktJ/kq2) (3-6) 。蔽。F万 u曲， 式中：水的密度，kgm3； D螺旋桨直径，m； ns螺旋桨转速，rs； Vj螺旋桨进速，ms。,在给定的船舶中，其螺旋桨直径为定值，J仅随Vj/nj，而变化。当Vj/nj为常数时，ktJ与kq亦为定值，而的变化也较小，故桨的有效推力Te和转矩Q就与转速的平方成正比，
5、即： Te=CTn2 kN (37) Q=CQn2 kNm (38) Pp=(Qns) /30 kW (39) 式中：CT、CQ常数； n螺旋桨转速，rmin； Q转矩，kNm； Pp螺旋桨所需功率，kW。,由上式和图3-3可知，当n一定时，随J的减小，Te、Q、Pp均要相应增大；在J保持一定时，Te、Q均随n的平方成正比变化，而Pp随n的立方成正比变化。 四、船舶柴油机的基本特性和工作范围 1、柴油机的输出功率及扭矩 2、柴油机的特性 (1)速度特性 柴油机的速度特性柴油机的性能指标和主要参 数随转速而变化的规律，也称外特性。 柴油机速度特性是在试验台上做出的。 试验时固定喷油泵的油量调节机
6、构位置，改变柴油机的负荷，使柴油机的转速发生变化，测出各有关参数即得其速度 。,根据柴油机功率计算式 Pe=Cpeni (310)式中：C与柴油机结构型式有关的系数； pe平均有效压力； n转速； i气缸数。 由上式可以看出，柴油机装好后，C与i为常数，pe主要取决于喷油量， pe基本上也是常数。 因此，在上述情况下，柴油机的有效功率和转速基本上是直线关系。,当把喷油泵油量调节机构固定在不同位置时，则可测得不同的速度特性。常用的速度特性有： 全负荷速度特性又称额定外特性，是将喷油 泵油量调节机构固定在标定功率的供油位置 上时测得的各特性参数随转速变化的关系。 超负荷速度特性 我国船舶建造规范规
7、 定，柴油机的超负荷功率为标定功率110 ，柴油机必须保证在超负荷功率下至少 连续运转1 h而不冒黑烟。 将柴油机在标定转速下能发出110标定功率的喷油泵调油机构固定，测取的各特性参数随转速而变化的关系。,部分负荷速度特性把油量调节机构固定在比 标定供油量小的各个不同位置上，测出各特 性参数随转速而变化的关系，也称部分外特 性。 (2) 负荷特性在转速保持不变的情况下，柴油 机的各项主要性能指标和工作参数随负荷 变化的规律。 (3) 推进特性。 当柴油机带动螺旋桨工作时，若不考虑轴系的功率损失，柴油机发出的功率应等于螺旋桨所需的功率。 螺旋桨转动时所需要的功率与转速的三次方成正比。 因此柴油机
8、带动螺旋桨工作时，其功率和转速关系也应按螺旋桨特性的规律变化，即柴油机功率与转速的三次方成正比。 这就是柴油机的推进特性，也是一种速度特性。,(4)柴油机的工作范围 为了使船用柴油机经济、稳定和可靠地工作并具有较长的寿命，必须对运行时可能达到的功率和转速作适当的限制，即确定一个允许的运转范围。,二、船、机、桨的相互作用 虽然三者性能彼此不同，但由于都处在同一推进系统中，因此它们之间又关系密切，在许多方面都存在着相互作用： 1、有着机械连接，存在着运动方面的相互作用； 2、存在着液力的相互作用； 螺旋桨前进速度船体前进速度 螺旋桨轴的角速度螺旋桨的角速度,3、构成一个统一的能量转换系统： 船体能
9、量消耗者，用于消耗能量； 主机能量发生器，用于发出能量； 传动设备能量传递器，用于传递能量； 螺旋桨能量转换器，用于转换能量。 4、三者性能在航行中相互制约。 由于船舶推进装置的性能，是由船、机、桨三者的性能共同决定的，因此研究推进装置特性需要三者联系起来进行分析。,三、航速与转速的转换关系 在研究船、机、桨工况配合时，必须将它们三者的特性置于同一坐标里才便于分析。 但在前述中，船舶的阻力特性是随其航速的变化关系来表示的，螺旋桨及主机的特性则是以它们的主要参数随转速的变化关系来表示。 因此，必须了解航速与转速之间的相互关系，建立两者能够转换的关系式，按课本P59得： V=JDn/（1-w）=C
10、n (319) 由此可见，在稳定航行时，船速和桨的转速成正比。,四、螺旋桨的选配 螺旋桨的选配，就是根据船体的有效功率和航速要求，选配高效节能的螺旋桨，再根据螺旋桨的推进特性，在主机选型中取得功率适宜的主机型号； 当已选定较合理的柴油主机时，也可根据机型、船型、船速等去选配螺旋桨。 机桨选配的原则是：除满足船舶所要求的航速与较高的螺旋桨效率外，既能使柴油机的功率得到充分利用，又要使柴油机功率在全部运转范围内不超出允许的范围。,32各种航行条件下推进装置工况配合特性,一、船舶污底和装载量改变时的工况配合特性 二 、船舶在不同气象条件下和不同航区中航行 的工况配合特性 1、船舶在顺风、逆风和大风浪中航行时的工况 配合特性 2、船舶由深水进入浅水和在窄航道中航行时的 工况配合特性,三、船舶在各种运动状态下的工况配合特性 1、系泊工况船舶在不动的情况下(舶舶系在 缆桩上)主机和螺旋桨的运转情况。 2、船舶起航和加速工况 3、船舶转向时的工况配合特性 4、船舶拖曳作业时的工况配合特性 5、舶舶倒航工况,