|
第七节 柴油机与螺旋桨的配合 1．机桨匹配的基本原则 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速范围内都不超出允许的范围。 （1）以主机标定功率配桨 原则上是在柴油机标定转速下使设计选配的螺旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率NeH(螺旋桨曲线过MCR点)如图9-19所示。螺旋桨与柴油机的匹配点在柴油机的标定工况(MCR)点a。曲线1即为柴油机的全负荷速度特性线。当要柴油机在低于标定转速nH的某一转速n2下运转时，就减小油门，减少每循环供油量。曲线2即为相应的部分负荷速度特性线。交点b就是这时柴油机、螺旋桨的工况点。从图上看出，这时柴油机的功率不仅小于标定功率NeH，而且小于这个转速下由全负荷速度特性曲线所限定的功率（对应于d点的的功率。这里为了分析简便，以全负荷速度特性作为限制特性。）可见，在转速nH到nmin的全部变化范围内，柴油机的功率都不会超出允许的范围。在运转中还允许柴油机在高于nH的最大转速nmax下工作。这时需要增加供油量，相应于这个供油量的超负荷速度特性曲线3 与螺旋桨特性曲线相交于C点。这时柴油机处于超负荷状态，因此只允许柴油机短时间在这个转速下工作。 （2）螺旋桨结构参数对机桨配合的影响 图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、是三个螺旋桨的特性曲线。螺旋桨Ⅱ配得过重、螺旋桨Ⅲ配得过轻。螺旋桨Ⅰ则匹配正确，其特性曲线正好过标定工况点a。曲线1为柴油机全负荷速度特性曲线，旋桨吸收的功率恰好等于柴油机的标定功率。 当螺旋桨配得过重时，这时螺旋桨特性曲线Ⅱ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于b点，此时尽管油门加大到标定位置，但柴油机的功率和转速均达不到标定值，而负荷(pe) 却已达到持续运转的限制值（全负荷速度特性作为限制特性）。如要让柴油机发出标定功率NeH，就需要进一步增大供油量，如f点所示。这时负荷(pe)已超过标定值了。如要使柴油机在标定转速nH下工作，如e点所示，就更是超负荷了。可见，当螺旋桨配得过重时，要么造成柴油机超负荷（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力无法得到充分利用。 当螺旋桨配得过轻时，这时螺旋桨的特性曲线Ⅲ与柴油机全负荷速度特性曲线相交于d点，即柴油机油门推到标定位置时就超速了。为了使柴油机在标定的转速nH下工作，只得减少油门，让它在部分负荷速度特性曲线4上工作。这时工作点为C点，柴油机的功率小于标定功率NeH，也不能发足。可见，当螺旋桨配得过轻时，要么造成柴油机超转速（这是不允许的），要么柴油机功率发不足。柴油机的能力也无法得到充分利用。 二、外界状况（船舶阻力）对对机桨配合的影响 三、选配螺旋桨时的功率储备 四、系泊工况及航行中的过渡工况 1．系泊工况 船舶在建成或修理后，为了检验主机的运转情况和操纵性能，需要在码头上进行系泊试验。在船舶系泊不动的情况下主机带着螺旋桨运转的工况称为系泊工况。这时船速为零，进程比λP为零，图9-4中的扭矩系数K2达到最大值，螺旋桨特性曲线明显比正常稳定航行时陡，如补图9-3所示。图中曲线1和2分别为正常稳定航行和系泊试验时的螺旋桨特性曲线。线3为主机的全负荷速度特性曲线。船舶正常稳定航行时，主机与螺旋桨配合工作于a点，即在标定转速nH下发出标定功率NeH。系泊试验时，主机与螺旋桨配合工作于b点，其相应的转速nb和功率Neb均比nH和NeH明显减小。如系泊试验时主机转速大于nb，由补图9-3中可以看出，主机就会超负荷。因此为了保证主机不致超负荷，应使系泊试验时的转速不大于nb，若由于缺乏技术资料而无法确定nb值，则可取0.80～0.85nH作为试验时的最高转速。系泊试验时还应特别注意排气温度。当排气温度达到船舶在全速航行时的正常排气温度时，就应进一步降低试验转速。 2．起航工况 船舶起航时，由于质量很大，船速从零缓慢增加。起航瞬时λP为零，然后逐渐增加到正常航行时的值a，因此螺旋桨特性曲线在起航瞬时相当陡，如补图9-4中曲线λP＝0所示，然后随着航速的逐渐增加而逐渐变缓，直到正常航行时图中曲线λP＝a的位置。 起航时，如驾驶台要求的转速为na以上某一转速，由于这时螺旋桨按λP=0工作，如将加油手柄推到相当于全负荷速度特性曲线Ⅰ的油门格数，主机转速达到na。这时工作点a一般位于等转矩限制线01的上方，使主机的负荷超过了限制。怎么避免这种情况呢？由补图9-4可见，λP=0的螺旋桨特性曲线与转矩限制特性线01相交于b点，只要起航时主机转速不超过b点对应的转速nb，即可保证主机的转矩在允许的范围内。正确的操作应是，推动油门手柄使主机的起动转速小于或等于nb，待船速增加，螺旋桨特性曲线逐渐变缓，向曲线λP=a靠近，才逐渐加大油门格数，使转速达到所要求的值。起动时推动油门手柄过急除了会造成柴油机机械负荷超过限制外，还会使受热零部件由于温度突然升高，受到过大的热应力而引起裂纹等故障。此外，如果推动油门手柄过急，每循环供油量很快就加大，而这时螺旋桨特性线仍较陡，主机转速较低，涡轮在单位时间内获能次数较少。再加上增压器转子有一定惯性，在加速过程中就会出现油多气少（过量空气系数α太小）的情况。致使燃烧不良，热负荷过高，出现排气冒黑烟的现象。 3．加速工况 船舶起航驶离港口后，需要逐渐加速以达到全速航行。此时，如轮机员操纵不当也会使主机超负荷。船舶在较低航速下稳定航行时，主机按部分负荷速度特性线Ⅰ工作，螺旋桨特性曲线a，配合工作点为1，对应的转速为n1。当驾驶台命令全速前进时，如果加速过快，立即将油门手柄推至标定位置。主机的工作曲线就由Ⅰ转到全负荷速度特性曲线Ⅱ。主机发出功率增加，螺旋桨转速迅速增加，但由于船的质量很大，船速还没迅速提高，因而λP=VP/(nPD)迅速变小，螺旋桨特性曲线迅速从曲线a变为曲线b，工作点迅速从1移到2′。此后由于推力大于阻力，船速逐渐提高，螺旋桨特性曲线随着λP的逐渐加大从曲线b逐渐移向曲线a，工作点则沿着线Ⅱ从2′逐渐移至2，达到新的平衡。在加速过程中，工作点是沿1-2′-2变化的，其中1-2′过程的时间很短，而2′-2过程是船速逐渐提高的过程，时间相对较长，且位于等转矩线之上。也就是说，在这过程中柴油机大部分时间是在超机械负荷情况下运行的。在这种情况下正确的操作是：缓慢加大油门，使主机的转速差不多与船速 成比例地增大，这样船舶加速过程中工作点就接近于沿曲线1～2变化，柴油机就不会超负荷了。 4．转弯工况 船舶转弯时，舵要偏转一个角度，船体在斜水流中前进，船舶阻力有所增加。在相同螺旋桨转速下，船速会降低，进程比λP减小，螺旋桨特性曲线变陡。当主机油门固定不变时，船舶在转弯中常发现主机转速自动降低，当转弯过程结束时，转速又恢复原来数值。所以在转弯时，若发现主机转速降低，不应去加大油门。如果主机装全制式调速器，在此情况下可能自动加油，这时要注意限制喷油量以防止超负荷。 当船舶采用双螺旋桨推进，转弯时，由于船舶横移和转向，两个螺旋桨都在斜水流中工作，且水流速度和方向均不相同，从而使两桨之间的负荷分配不均，靠近转弯中心的内桨负荷增加要比外桨大，内桨的转速因而下降很多。而外桨在转变开始时负荷变轻，之后又逐渐增加，所以外桨转速开始升高，而后又下降。由此可见，采用双桨推进，当船舶转弯时，带动内桨的主机容易超负荷。考虑到这种情况，转弯时应该把主机的转速适当降低些，即应在低航速和较小舵角条件下进行转弯操纵。 5．倒车工况 船舶在港内航行，靠离码头或者遇到避碰等紧急情况时，常需改变主机的回转方向，使前进的船舶迅速停止下来，或改为倒航。补图9-6所示为主机倒车换向过程工况的曲线。图中横座标为转速的百分数。纵座标为转矩的百分数。曲线A、B和C分别为船在全速、半速和系泊情况下根据船模试验画出的螺旋桨倒转工况变化曲线。在主机的全部换向过程中，假定船速没有变化。 现在来研究船舶全速前进时，主机从正车改为倒车的运转情况（图中曲线A）。原先，主机和螺旋桨配合工作于标定工况点a，在接到倒车命令后，首先停止向主机供油，主机转速迅速下降，因螺旋桨的进程比λP迅速增加，因此转矩迅速下降。当转速下降到b点（60～70％nH）时，螺旋桨的转矩为零。a-b为螺旋桨倒转的第一阶段。 在b点以后，由于船仍旧全速前进，螺旋桨被水冲击产生负转矩，象水涡轮一样带动主机仍按正车方向回转。此负转矩为主机运动部件和轴系磨擦损失所消耗，所以转速迅速下降。当螺旋桨转速降为30～40％nH时，负转矩达到最大值（点c）。在点c之后，转速再降低时，由于作用在螺旋桨上的水流偏离了产生最大负转矩的最佳方向，负转矩开始逐渐减小。当负转矩下降到与主机运动部件和轴系的磨擦阻力矩相平衡时，螺旋桨就停止转动（点d）。b-c-d为螺旋桨倒转的第二阶段，即水涡轮阶段。 在d点之后，倒车起动主机开始倒转（起动力矩必须大于此时螺旋桨的负转矩）。此后主机带动螺旋桨倒车转动，产生负的推力，对船舶起着制动作用。但此时船舶仍在全速前进，所以当倒车转速达40～60％nH时，轴系承受的转矩已达极限值MeH。 当船半速前进而主机开倒车时，螺旋桨转矩与转速的变化关系（曲线B）与全速时相似，只是负转矩值要小。当船舶在系泊情况下主机开倒车时，螺旋桨没有水涡轮工作阶段，因此不出现负转矩（曲线C）。图中D线为船全速前进时实际的螺旋桨倒转工况变化曲线，它已经考虑了主机在制动和换向过程中船速逐渐降低的情况。 必须指出，在主机换向过程中，一般都存在着螺旋桨的水涡轮工作阶段，特别是由“前进三”紧急开倒车时，螺旋桨的负转矩（点c′）较大，如不进行倒车制动，只依靠主机运动部件和轴系的磨擦阻力矩来消耗螺旋桨的负转矩，则必须等船速下降很多之后，桨的负转矩已较小，并且与磨擦阻力矩相平衡时，轴系才能停转（n=0）。也就是说，图中曲线D上c′-d′段所需的过渡时间很长，船舶在此期间由于惯性而滑行的距离可能为船长的5～6倍。这么大的滑行距离，对于避碰的紧急情况是危险的。为了使主机尽快开出倒车，阻止船舶前进，必须在转速降至30～40％nH（即出现较大的负转矩）时，将压缩空气送入主机气缸进行强迫制动，使主机停转、倒转进而实现倒车起动。为此，在操纵主机时，在点a停止向主机供油后，应不失时机地进行主机的换向。当转速降至30～40％nH时，在轴系仍按正车回转的情况下，提前进行倒车起动，即强迫制动。在空气制动过程中，由于点c′的转矩（绝对值）小于主机的标定转矩MeH，因此轴系不会超负荷。有时船速太高，利用空气瓶中现存的压力不能一次制动成功，为了节约压缩空气，应耐心稍等几秒钟，待转速进一步下降再做第二次制动。关于各种操纵系统的机动操纵，详见后述。 必须注意，在进行紧急制动时，船舶仍在前进、主机开出倒车后，当转速为40～60％nH时，转矩已达标定值，若转速过高，主机和轴系就会发生超负荷。而且由于船舶伴流方向和柴油机转向相反，船体可能产生强烈振动。因此，在开出倒车后，应让柴油机转速逐步提高，且不能过高。 船舶倒航时，由于船舶阻力较正航时为大，而且螺旋桨效率也较低，因此螺旋桨特性曲线较陡。为了保证倒航时主机不致超负荷，必须使倒车的最大转速不超过标定转速的70～80％。具体转速应根据排烟温度来确定。 在一般情况下，当船舶全速前进时，是不准紧急倒车的，但在特殊的紧急情况下，船长决意采取紧急倒车措施时，应意识到为了船舶安全而可能损伤主机和轴系，并尽量避免在船速较高时进行倒航操作。 补图9-7为某货船（32000dwt，8160kW，船长195.8m）实测的倒车工况曲线，该图表示了在不同船速下，船速、主机转速和船舶滑行距离的变化情况。当船舶在全速航行时，不进行倒车制动，只进行全速正车－停车操作，从主机停止供油开始主机转速n1由125r/min降至0，需时5.1min；船速V1由15kn降至0，需时20min，则船舶滑行距离S1为3150m，约为船长的16倍。如进行倒车制动，进行全速正车－全速倒车操作，从主机停止供油开始，船速V2由14kn降为0，需时5.33min，S2为1200m（6倍船长）。滑行的距离和时间明显下降，如在较低船速下倒航，进行半速正车－全速倒车的操作，船舶滑行距离只有700m（3.5倍船长）。 感谢阅读，这里是龙de船人 |
|
|
