第2-3講-機槳匹配分析與主機選型B

1船舶動力裝置原理與設計講義主推進裝置的配合特性2011年03月主講：胡義huyiwhut@163.com2主發(fā)動機減速裝置螺旋槳伴流減額QsnsQpnp燃料TpVi

V體R

船船機槳三者的能量關系！機槳匹配作業(yè)：1、2、3、4、5、6、7、9、103（4)=ρ*no*DvA,oTo*noρ*vA,o

PE,oko*(1?to)*vs,o=

Roko*(1?to)To=vA,o=(1?ωo)*vs,o

Toρ*np,o2*D4

Roko*(1?to)*ρ*n2p,o*D4=KT,ship,o=(1?ωo)*vs,o

np,o*D=

vA,onp,o?DJo=（1）（2）（3）（4）由（3）（4）消去D得：2 444*D4*no 4To

2KT

JKT,ship,D=c6*J4

4=c6→=5

vA,ono*DoptJopt=(1?ωo)*vs,o

np,o*JoptDopt=

Optimumpropellerdiameteratgivenpropellerspeed

2

c6=oIntersectwithpropellerthrustcoefficientcurvesofdifferentpitch.Findoptimum

KT,ship,D=c6*J4

determinepropellerdiameter6敞水效率用恒定的效率線代表。效率最高值可以很容易作為需求曲線和恒定效率線的切線來決定。Optimumpropellerdiameteratgivenpropellerspeed（2)o=ρ*np,o*DmaxvA,oρ*vA,o*DmaxOptimumpropellerspeedatmaximumpropellerdiameter22*To 24Tonp,o2*Dmax2 2KT

J=c7=

Intersectwithpropeller thrustcoefficientcurves ofdifferentpitch. Findoptimum

KT,ship,o=c7*Jo2determinepropellerspeed

nopt==

Jopt*DmaxJopt*Dmax

7ρ*vA2,o*Dmax8Optimumpropellerspeedatmaximumpropellerdiameter

vA,oJopt*Dmax(1?ωo)*vs,o

Jopt*Dmax=nopt=

KT,ship,o=c7*Jo2determinepropellerspeed2Toc7=

已知：

單軸船舶由固定螺距螺旋槳推進，它是由柴油發(fā)動機通過減速箱來驅動。對于設計條件有以下數(shù)據(jù)適用：

排水量Δ=15000T

船舶阻力R=777.5kN伴流系數(shù)w=0.2

船速 有效功率推力減額系數(shù)vs=20kn=10.29m/sPE=8000kW t=0.12相對旋轉效率ηR=0.99最大可能的螺旋槳直徑Dmax=5.8米海水密度ρ=1025kg/m3柴油發(fā)動機轉速ne=600轉/分傳輸效率ηTR=0.95，傳輸效率可以假定不變。已經(jīng)決定采用WageningenB5-75槳確定如下：螺旋槳的最佳螺距比(P/D)opt相應的最優(yōu)螺旋槳速度np,npt所必需的變速箱比相應的螺旋槳敞水效率η0、推進效率ηD所需的螺旋槳動力Pp(=PD/kp)、發(fā)動機制動所需的動力PB進速系數(shù)J和流體力學俯仰角η推力和扭矩系數(shù)KT,CT*,KQ和CQ*

9ρ*vA,o*Dmax首先確定此為已知槳直徑的機槳初步匹配問題2=0.3781?J2

10KT,ship,o=c7*Jo2=0.3781=c7=To

R(1?t)?(1?ω)2ρ?v2s?D2=s11

當η0,max=0.652時，最佳螺距比P/D是(P/D)opt=1.10。最佳狀況的其他參數(shù)也可確定：

KT,opt=0.216,KQ,opt=0.0399和Jopt=0.756

最佳的螺旋槳速度是：

vAJopt*Dv*(1?w)

Jopt*D=1.877s?1=112.6rpm（np)opt=變速箱比i的應選擇：

600112.6=5.33=

nenp,opti=12柴油機的工作范圍①額定工況②阻力增大③阻力減小與進速系數(shù)J相關：J越小，推進特性越陡cD或按說明書45%~50%neb

特性線由極限轉矩線限制。如圖中AB線。2)最低負荷限制特性線:線CD。3)最高轉速限制特性線作為主機的柴油機的最高允許轉速一般不超過

1.03neb4)最低穩(wěn)定轉速一般低速機30%，中速機40%，高速機柴油機的工作范圍

1)最高負荷限制特性線

對非增壓、低增壓度柴油機最高負荷限制1--等排溫限制線（渦輪增壓柴油機）

13>1PE,Service

PE,TrialSM=

柴油機的儲備-工作儲備SM額定功率MCR

PE,Service是在營運條件下的有效功率，

PE,Trial是在海試條件下的有效功率。持續(xù)服務功率CSR

這基于2年塢期及每年因 結垢而增加3%的阻力。

MCR是指在額定功率（100%）， 以額定速度(100%）的工作點。

14>1PE,Service

PE,TrialSM=

柴油機的儲備-工作儲備SM額定功率MCR

（在海面狀況=3時有效)持續(xù)服務功率CSR

SM=1.06×1.04×1.1×1=1.212

15=B,Service<1P PB,MaxCSRMSREM=

EM一般位于0.80和0.90之間。16

柴油機的儲備-功率儲備EM額定功率MCR持續(xù)服務功率CSR17MANB&W柴油機工作范圍1:通過優(yōu)化點的槳推進特性線3:最高轉速限制線4:扭矩限制線5:最大負荷限制線6:槳推進特性線（輕載）7:最大功率限制線8:過載限制線（每12小時允許1小時）9:試航極限轉速限制線10:平均有校壓力線18PB=c×n1(forconstantmep)PB=c×n3(propellerlaw)EngineLayoutandLoadDiagramsn?nCSRPropellerdesignpointPDseamargin

15%ofthepropellerdesignPD

power.However,forlarge containerships,20~30%may sometimesbeused.EnginemarginMP:SpecifiedpropulsionpointSP:Continuousservicepropulsion pointspeedmargincalmweatherpropellercurve6– theheavierpropellercurve2, havinga3~7%higherrateof revolutionthancurve2,andin generalwith5%asagoodchoice.

19LRM=LRM

nLRM2021柴油機的工作范圍R=c1?(vA21?ω?2從船的阻力與槳的推力船舶阻力R和槳速的關系：vA=(1?ω)?vs

R=c1?vs2)=c8?vA2=

Rkp(1?T)槳的推力和槳進T=速的關系：

c1?vA2kp?(1?t)(1?ω)2T=KT?ρ?n2?D422?J2==KT=

c8ρ?D2c8?vAvAρ?D2n?D2

c8?vA2ρ?n2?D4KT=c7?J2

22或船舶阻力曲線J=23

vA

np?DvA=(1?ω)?vs?vs=

vAJ?Dnp=(1?ω)

J?D或np=c3?vs從船的阻力與槳的推力242011年11月29日星期二24推進裝置效率傳遞252011年11月29日星期二25推進裝置效率傳遞MP=?KQ?n2pc4=26=KQ=

ηR?MPρ?n2p?D2

Qρ?nP2?D5np=c3?vsQ=ηR?MP

ρ?D5

ηRR=c1?vs2槳所需的功率PP,load=2π?MP?np即槳的負載?KQPP,load=c4?n3p

2π?ρ?D5

ηR對于某一船舶，c4?n3pPP,load=c3=(1?ω)

J?D從船的阻力與槳的推力?KQc4=2π?ρ?D5

ηR27污垢（阻力）系數(shù)船體的特性海況等級海面狀況名稱浪高范圍（米）0級無浪（CALM-GLASSY）01級微浪（CALM-RIPPLED）0～0.12級小浪（SMOOTH-WAVELET）0.1～0.53級輕浪（SLIGHT）0.5～1.254級中浪（MODERATE）1.25～2.55級大浪（ROUGH）2.5～4.06級巨浪（VERYROUGH）4.0～6.07級狂浪（HIGH）6.0～9.08級狂濤（VERYHIGH）9.0～14.09級怒濤（PHENOMENAL）>14.028海況等級劃分表某雙槳船計算過程：c1→J→KT、KQ、η→c3→c4→PP

29

驗算：PE=PP?ηR?ηo?ηh?kp30從槳的載荷到主機的制動功率所得到的制動功率應位于所選擇的發(fā)動機工作范圍內，并且通過MCR。如果不是這種情況選擇另一個工作范圍，或選擇另一個螺旋槳。?331ep=PB=

c4ηTRM?ke

PPηTRM?ke?n3=

c9=

c4n3ηTRM?kei

c4ηTRM?ke?i3PB=c9?ne3

ke是每根軸的相同發(fā)動機的數(shù)目帶齒輪箱的機槳匹配從槳的載荷到主機的制動功率

如帶有PTO+PPTOPB=

PPηTRM?ke32非設計工況主要的非設計工況有：1）船舶以設計速度以外的速度航行。2）由于以下情況導致船舶阻力改變：-隨時間而增加的污底-相對設計排水量的排水量變化-設計海況以外的海況-在限制的水深中航行。需螺旋槳克服的阻力也會變化，當：-拖曳另一船舶或拖動設備-挖泥的吸管和耕犁海床的把頭。33非設計工況主要的非設計工況有：

3)無傳動的軸：多軸構造的非設計工況發(fā)生在其中一根軸停止工作的時候。這根軸可能是被帶動的，即以低速自由運行，或者它是被軸制動器鎖定，即它的速度為零。結果是不僅其余的軸受到更多的負荷，而且總負荷也增多。4）CP螺旋槳中螺距的變化。

5）斷開連接的發(fā)動機：多發(fā)動機構造的非設計工況可能是連接螺旋槳軸的發(fā)動機數(shù)目的變化。在同一航速下，其余的軸發(fā)動機將受到更多的負荷。

6）動力輸出（PTO）：如果這個設備裝備了動力輸出裝置的話，所需的動力輸出功率的變化導致發(fā)動機總負荷的變化。7）在齒輪傳動中，齒輪箱的傳動比的變化。34非設計工況當研究非設計工況的時候，必須區(qū)分兩類非設計工況：影響螺旋槳的負荷點的非設計工況

應利用螺旋槳敞水特性來研究。一般說來，所有的這種非設計工況是船體外面發(fā)生各種變化的結果，屬于這類情況的有：速度變化、阻力變化，驅動軸的變化及螺旋槳螺距的變化。不影響螺旋槳的負荷點的非設計工況

它們不需要敞水特性圖就可以解釋。一般來說，這種非設計工況是船體內部發(fā)生的各種變化的結果，屬于這類情況的有：連接的發(fā)動機數(shù)目的變化、PTO功率的變化及傳動比的變化。35非設計工況四發(fā)動機的CODAD構造圖柴柴聯(lián)合動力裝置設計工況下的所有變量將顯示下標為0。如在設計工況中，速度是vso36非設計工況——偏離設計速度計算過程：c1→J→KT、KQ、η→c3→c4→PP37已知條件需知道船體有效功率曲線?38Lv

γRe=雷諾數(shù)

航速水的運動粘性系數(shù)vgL傅汝德數(shù)Fr=c7=

1c1ρ?D2kp?(1?t)(1?ω)2KT=c7?J2

由于C1系數(shù)是與速度相關的,

Vs↗,C1↗,C7↗,J↘,η↘,KT↗Vs↘,C1↘,C7↘,J↗,η↗,KT↘39偏離設計速度-理論值與實際值對比推進功率與軸轉速40在設計速度時的阻力高于在設計速度之下的速度時的阻力。假設伴流系數(shù)和推力減額系數(shù)（船身效率）、螺距、軸數(shù)、發(fā)動機數(shù)及減速比都不變非設計工況——阻力變化R↗,C1↗,C7↗J↘,η↘,KT↗R↘,C1↘,C7↘J↗,η↗,KT↘非設計工況——阻力變化

R↗,C1↗,C7↗R↘,C1↘,C7↘

41

J↘,η↘,KT↗J↗,η↗,KT↘42非設計工況——阻力變化VS(kn)VS(kn)螺旋槳功率與航速關系螺旋槳轉速與航速關系43非設計工況——阻力變化發(fā)動機工作范圍內所需的制動功率等航速線轉速（rpm)?

非設計工況——驅動軸數(shù)目變化

如當雙軸系船僅由一根軸驅動時，在相同航速下，該軸必須輸出兩倍的推力。同時該軸成為船前進的附屬物，增加了船體的阻力。c7=

1c1ρ?D2kp?(1?t)(1?ω)2C1、kP變化，導致C7變化

假定附加阻力增加10%~15%CODAD，單軸系工作

441.42倍非設計工況——驅動軸數(shù)目變化

1.075倍

2.15倍

C4(KQ)增加1.36倍，C7增加2.15倍。原因：

負載增加和槳的滑差增加。

1.36倍4546非設計工況——驅動軸數(shù)目變化螺旋槳轉速與航速關系螺旋槳功率與轉速關系VS(kn)n（rpm)47非設計工況——驅動軸數(shù)目變化柴油機機工作范圍內所需的制動功率轉速（rpm)等航速線阻力增，使推進特性線變陡，很靠近限制線。對策：采用調距槳、雙速齒輪箱或工作范圍廣的主機。48非設計工況——驅動軸數(shù)目變化