船舶动力装置（吕庭豪设计）：动力装置课件(3~4)

船舶动力装置课件
（ 3~4）
吕庭豪 设计
2003年 12月一、作用
1、传扭 2、配速
3、换向 4、功率分支与节能二,齿轮 箱的配置方案
1、速比和级数速比,输入轴转速 n1与输出轴转速 n2之比。
i=n1/n2
级数,柴油机动力装置 用单级或双级燃气轮机动力装置 用 2~3级或多级
2、柴油机动力装置中单机单桨减速器配置型式带换向级：
1）同心传动 2）角向异心传动
3）垂直异心传动 4）水平异心传动第 3章 推进装置的主 要 传动设备
3-2 船用齿轮 箱不带换向级：
5）同心传动，不带换向级
6）垂直异心传动，不带换向级
1）二级减速带换向级，输入轴和输出轴同心，转向相同。
2）一级减速带换向级，输入轴和输出轴角向异心，
转向相反。
3）一级减速带换向级，输入轴和输出轴垂直异心，转向相反。
4）一级减速带换向级，输入轴和输出轴水平异心，转向相反。
5）二级减速不带换向级，输入轴和输出轴同心，转向相同。
6、一级减速不带换向级，输入轴和输出轴垂直异心，
转向相反。
GWC系列齿轮箱展开剖视图
3、双机并车 齿轮 箱
1）结构型式三 齿轮 传动 五 齿轮 传动
2）系列标准
L标准系列按中心距分档,900,1000,1120,1250,1400，
1600,1800,2000,2250。
3）生产厂家
4）选用方法三、几种常用的减速 齿轮 箱及选用方法
1、国产 齿轮 箱概况
a、用于中速 柴油机的三个 系列标准
C系列 —— 垂直异心传动
S系列 —— 水平异心传动 T系列 —— 同心传动
b、倒顺离合减速器
c、其他型号的 齿轮 箱主要用于与中、小型 柴油机配套
2,齿轮 箱选用方法利用容量图四,齿轮 箱的主要技术指标
（选用 齿轮 箱应注意的问题）
1、额定功率 NH和额定转速 nH；
2、额定扭矩 MH；
MH=9.55 NH/nH ( KN.m)
3、减速比 i；
i=n1/n2=Z2/Z1
4、额定传递能力；
即 NH/nH—— 是 齿轮 箱工作能力大小的技术指标，是选用齿轮 箱的重要依据之一。
5、输入轴与输出轴之间的中心距；
6、额定承受螺旋桨推力；
7、输入轴与输出轴的转向。
输入轴转向应与发动机输出轴转向一致，输出轴转向应与螺旋桨转向一致。
第 4章 船舶柴油机一 柴油机的主要部件及常用名词柴油机根据其工作原理的不同,可分成四冲程柴油机和二冲程柴油机两大类 。 这两类柴油机在结构上有一定的区别 。
1,四冲程柴油机的主要部件如图 4-1所示,它包括,
4-1 柴油机的基本构造和工作原理柴油机是以柴油为燃料，且燃料在机器内部（气缸中）
经过燃烧，将化学能转变为热能，并以燃气为工质，再将热能转变为机械功的一种内燃式热力发动机。由于它热效率高，经济性好，使用安全可靠，因此，无论在陆地上或船舶上都获得了广泛的应用。
1） 固定部件机座 1、机身 4、主轴承 3、气缸套 6、气缸盖 7等。
2） 运动部件活塞 8,活塞销 9,连杆 10,连杆螺栓 11,曲轴 13等 。
3） 配气机构凸轮轴 14,顶杆 15,摇臂 16,进气阀 17,排气阀 18,气阀弹簧 19等 。
4） 燃油系统高压喷油泵 20,高压油管 21,喷油器 2等 。
5） 辅助部件进气管 5,排气管 12等 。
此外,柴油机还必须具备润滑,冷却,操纵控制,调整,传动机构等系统的零部件 。
图 4-1 四冲程柴油机的主要部件
1-机座； 2-喷油器 ;
3-主轴承； 4-机身；
5-进气管 ; 6-气缸套 ;
7-气缸盖； 8-活塞；
9-活塞销； 10-连杆 ;
11-连杆螺栓 ; 12-排气管 ;
13-曲轴 ; 14-凸轮轴 ;
15-顶杆； 16-摇臂；
17-进气阀 ; 18-排气阀 ;
19-气阀弹簧；
20-高压喷油泵；
21-高压油管。
2,二冲程柴油机的主要部件如图 4-2 所示,它包括：
1） 固定部件机座 1,主轴承 2,机架 3,导板 4,扫气箱 5,气缸体 7,气缸盖 6等 。
2） 运动部件活塞 8,活塞杆 9,十字头 10,连杆 11,曲轴 12等 。
3） 配气机构凸轮轴 15,凸轮轴传动链 16,排气转阀 17等 。
4） 燃油系统喷油泵 18,高压燃油管 19,喷油器 20等 。
5） 增压系统增压器 21,单向阀 14,空气冷却器 13等 。
此外,它也具备润滑,冷却,传动机构,操纵调节等系统 。
图 4-2 二冲程柴油机的主要部件
1-机座； 2-主轴承；
3-机架； 4-导板；
5-空气箱； 6-气缸；
7-气缸体； 8-活塞；
9-活塞杆； 10-十字头；
11-连杆； 12-曲轴；
13-空气冷却器；
14-单向阀； 15-凸轮轴；
16-凸轮轴传动链；
17-排气转阀 ; 18-喷油泵；
19-高压柴油管；
20-喷油器； 21-增压器。
3 常用名词述语柴油机根据其活塞在气缸中所处的位置不同,通常采用下列名词述语,（ 如图 4-3所示 ）
1） 上止点活塞在气缸中运动的最上端位置,也就是活塞离曲轴中心线最远的位置,俗称上死点 。
2） 下止点活塞在气缸中运动的最下端位置,也就是活塞离曲轴中心线最近的位置,俗称下死点 。
3） 冲程 （ 行程 ）
指活塞从上止点到下止点间的直线距离,常用 S表示 。 它等于曲柄半径 R的两倍 （ S=2R） 。 活塞移动一个冲程相当柄曲转动 180° 。
4） 缸径气缸内径,常用 D表示 。
5） 压缩容积活塞在气缸内位于上止点时,在活塞顶上的全部空间 （ 活塞顶与气缸盖底面之间所包含的空间 ）,称为压缩容积,以 Vc表示 。
6） 气缸工作容积活塞在气缸中从上止点移到下止点时所经过的空间 。 又称为活塞排量,以 Vs表示 （ 图 1-13） 。
7） 气缸总容积活塞在下止点时,活塞顶以上的气缸全部容积叫做气缸总容积,
以 Va 表示 。
SDV s 24?
CSa VVV
图 4-3
气缸容积
1,四冲程柴油机工作原理
1) 工作 循环过程柴油机的循环是通过进气,压缩,工作 （ 燃烧及膨胀 ）,排气四个过程来实现的 。 这样四个连续的过程就称为柴油机的一个工作循环 。 四冲程柴油机的一个工作循环是在活塞的四个冲程 （ 即曲轴旋转两周 ） 内完成的 。
图 4-4 所示的四个简图,分别表示四冲程柴油机四个冲程进行的情况和活塞等部件的有关动作位置及 PV图上的表示线段 。
第一冲程 —— 进气冲程,曲柄转角 表示进气过程。
第二冲程 —— 压缩冲程,压缩过程用曲柄转角 表示。
第三冲程 —— 工作（燃烧及膨胀）冲程,工作（燃烧与膨胀）
过程用曲柄转角 表示。
第四冲程 —— 排气冲程,排气过程用曲柄转角 表示。fe
edc
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二 柴油机的工作原理图 4- 4 四冲程柴油机工作原理
1-进气阀； 2-排气阀； 3-喷油器； 4-连杆； 5-曲轴； 6-活塞第一冲程 —— 进气冲程,曲柄转角 Φ a-b 表示进气过程。
第二冲程 —— 压缩冲程,压缩过程用曲柄转角 Φ b=c 表示。
第三冲程 —— 工作冲程,工作过程用曲柄转角 Φ c-d-e 表示。
第四冲程 —— 排气冲程,排气过程用曲柄转角 Φ e-f 表示。
2） 工作 循环特点
a) 四冲程柴油机完成一个工作循环，曲轴回转两周，活塞移动四个冲程完成。
b) 每个工作循环中只有工作冲程（燃烧及膨胀冲程）是做功的，在这个冲程里完成了燃料化学能转变为热能和热能转变为机械功的两次能量转换。
c) 其它三个冲程都是为工作冲程作准备，都需要外界供给能量，因此柴油机常做成多缸的，这样，进气、压缩、排气冲程所需的能量可由其它正在工作冲程的气缸供给。如果是单缸柴油机，则可由较大的飞轮供给，即在工作冲程时，柴油机带动飞轮旋转加速，依靠飞轮的旋转惯性，带动柴油机完成其它三个冲程。
2,二冲程柴油机工作原理二冲程柴油机把进气,压缩,燃烧及膨胀,排气过程紧缩在活塞的两个冲程内完成,使曲轴每旋转一周就完成一个循环 。
1) 基本原理二冲程柴油机的特点是没有专门的排气冲程和进气冲程，它的排气与进气是在膨胀冲程末及压缩冲程之初进行的，其废气的排出除了一部分自由泄放外，剩余部分则是靠压入气缸的新鲜空气来把废气扫出去的。为此，必须采用专设的扫气泵，以便增加进入的新鲜空气压力，以将剩余废气扫出气缸，这个过程就称为,换气过程,
又叫,扫气过程,。扫气泵可采用罗茨泵、活塞泵等。由于采取扫气代替柴油机活塞来完成进、排气过程，因此每一个工作循环减少了两个辅助冲程，能在每两个冲程内得到一个做功冲程，这就大大提高了柴油机做功能力。
2) 扫气方式按照扫气方式的不同，二冲程柴油机又在几种形式，常见的有直流扫气 和 横流扫气 （如图 4- 5所示,a直流扫气 b横流扫气）。
图 4-5 a)直流扫气 b)横流扫气
3) 工作 循环过程 （ 直流扫气二冲程柴油机 ）
第一冲程 —— 扫气及压缩 。 活塞自下死点向上移动时活塞在遮住扫气口之前,扫气空气通过扫气口进入气缸,扫气空气是由柴油机带的扫气泵供给的 。 气缸中残存废气被扫气空气从排气阀中排出 。
活塞继续上行,先遮住扫气口 （ 曲柄在点的位置 ）,空气停止充入,
接着排气阀关闭 （ 曲柄在点 a的位置 ）,气缸中的空气就开始被压缩,压缩至上死点 （ 点 b） 前一些 （ 点 ） 喷入燃油,燃油在高温高压下自行发火燃烧 。
第二冲程 —— 燃烧膨胀及排气 。 活塞在燃气的高压作用下向下运动,由于气缸容积增大,压力开始下降,在上死点后某一时刻
（ 点 c位置 ） 燃烧结束,直到排气阀打开 （ 点 d位置 ）,排气阀打开时间比扫气口打开更早,扫气口开启前,压力较高的大量废气便从排气阀排出 。 气缸内的压力迅速下降到稍高于扫气空气的压力,当扫气口开启 （ 曲柄在点 e位置 ） 后,扫气空气进入气缸,同时把气缸内的废气从排气阀挤出去,扫气过程一直持续到下死点 （ 点位置 ）
后活塞将扫气口全部遮住 （ 点位置 ）,排气阀关闭 （ 点 a位置 ） 为止 。 活塞继续运动,又开始了下一个循环 。
图 4-6 (1) 二冲程柴油机工作原理图 4-6 (2) 二冲程柴油机工作原理
4) 工作 循环特点
a）二冲程柴油机能在每两个冲程内（每曲轴转一转）得到一个作功冲程。这就提高了柴油机的作功能力，对于二台气缸尺寸及转速相同的柴油机，二冲程的功率似乎应比四冲程的大一倍，但实际上由于二冲程柴油机热负荷比四冲程发动机严重，加上气口损失以及扫气所耗的功率影响等，所以功率只为四冲程的 1.6~1.8倍。显然，如果发动机功率相同则二冲程柴油机的重量较轻。
b）在构造方面，二冲程柴油机较四冲程的简单一些，特别是横流扫气式二冲程柴油机，它完全省去了气阀及其传动装置，所以二冲程柴油机的维护，保养就简单得多。
c）由于二冲程柴油机在活塞的二个过程内就完成一个循环，做一次功，因而它的回转要比四冲程柴油机均匀。
二冲程柴油机虽然有以上优点，但也存在一些缺点，其换气过程远没有四冲程进行得那样完善，气缸内废气的清除和新气的充入都较四冲程困难得多。此外，二冲程柴油机进入气缸的新气在排气口开启着的时候，要随同废气一起泄出一部分，这就增加了新气的消耗量，从而损失了柴油机的一部分功率。
1.增压的概念所谓,增压,就是将进入气缸前的新鲜空气的压力提高,因此在同样的气缸容积下,可以吸入更多的空气量 。 这样就可以保证燃烧更多的燃油从而提高了柴油机的功率 。
三 柴油机的增压
kp
M P ap k 15.0?
M P apM P a k 2.015.0M P ap k 2.0?
2.增压的分级按照增压压力 的高低,增压可分为低,中,高三级：
低增压：
中增压：
高增压：
3,增压的方法目前柴油机所采用的增压方法，主要有 机械增压 和 废气涡轮增压 二种。
a) 机械增压图 4-7a）所示为一齿轮传动的离心式机械增压器的示意图，增压器是直接由柴油机本身通过齿轮或链条来带动的。
图 4-7 柴油机的增压
a)机械增压
b) 废气涡轮增压图 4-7 b) 表示了废气涡轮增压器的简单线图。
图 4-7 柴油机的增压
b)废气涡轮增压
c) 两种增压方法的比较机械增压的柴油机中，增压压力一般不能太高（以不超过
0.16~0.17MPa为宜），因为增压压力过高．将引起增压器消耗功率过大而降低柴油机的经济性。
废气涡轮增压柴油机中,带动增压器的功率完全由废气涡轮供给,并不消耗内燃机的有效功率,因此可采用较高的增压度,增压比可达 3.5～ 4。 从而使柴油机平均有效压力大大提高
,燃料消耗率下降,所以在增压柴油机上被广泛应用 。
4-2 柴油机的工作参数为了分析比较柴油机的工作性能和质量的好坏,常用一些工作参数把它的全貌综合地反映出来 。 柴油机的工作参数主要有动力参数和经济性参数 。
一 指示指标示功图概念如图 1-18a）所示，用 PV图表示柴油机一个工作循环内气缸中燃气压力随活塞位移而变化的情形。纵坐标表示气缸内的气体压力
P，横坐标相当于活塞行程的气缸容积 V。气缸内气体的压力和容积是同时变化的，我们可以用示功仪器测量出来。因此,PV图可用来研究柴油机工作过程进行的情况，并可用来算出柴油机完成一个工作循环所作的功，所以把 PV图称为示功图 。
燃烧膨胀所作的功,减去其他过程所消耗的功,就是柴油机一个循环向外输出的功 （ 图中阴影线所包围的面积 ） 。
a) b)
图 1-18 柴油机示功图
1,平均指示压力 Pi
假定有一个在整个活塞行程内不变的压力作用在活塞上,使活塞在一个行程内所作的功与闭合循环 （ 即阴影线所包围的面积 ） 所作的功相等,如图 1-18b)所示,则,这个假定不变的压力 称为平均指示压力 Pi（ MPa） 。 它代表了在实际循环中每单位气缸容积所做的功 。 表示气缸内气体工作循环所做功的大小,即
Vs —— 气缸工作容积,m3。
一般计算时,平均指示压力的单位用 MPa,以 Pi 表示 。
平均指示压力 Pi 是指发动机工作循环中每单位气缸工作容积所做的指示功，平均指示压力愈高，标志着发动机气缸工作容积利用程度愈佳。
)( mNsViPiL
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LP?
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2,指示功率 Ni
1） 指示功率的表达式从示功图知道柴油机每个气缸，每个循环所作的功为 Li，则每秒钟作功为：
式中,n—— 曲轴每分钟转数；
τ—— 冲程系数，四中程 τ =4，二冲程 τ =2；
Pi —— 平均指示压力,MPa(应该是 Pa吧？ )；
V s—— 气缸工作容积,m3 。
对于 i 个气缸的整台柴油机来说，指示功率为：
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2）提高功率 Ni的方法
a) 增大缸径 D—— 体积和重量增加，造价增加，维护和修理较复杂。
b) 增大冲程 S—— 体积和重量增加，造价增加，维护和修理较复杂。
c) 增大转速 n—— 受到活塞的平均速度所限制，因为速度越高将增加零件的磨损，运动部件的惯性力以及气缸的热应力等，这些将影响柴油机的寿命，对于二冲程柴油机将影响到换气。
d) 增加气缸数 i —— 缸数增多使结构复杂，制造和维修困难。
因此最有效的方法是提高 Pi值也即是提高增压度的方法。
3,指示效率和指示耗油率
1) 指示效率 ηi
在柴油机里,每循环喷入气缸中的燃油,并不都能作功 。 因为在完成一个循环时有许多损失,如由于燃烧不好而引起的不完全燃烧的损失；传给气缸壁气缸盖等受热零件而由冷却水带走的热量损失；由排气所带走的热量损失,以及由于气缸漏气所造成的热量损失等,这些都是热量的损失 。 通常是 用指示效率 ηi来表示损失的大小 。
式中,Li—— 气缸中每循环所作的指示功,J；
Qi—— 每循环喷入气缸的燃油所能发出的热量,J。
i
i
i Q
L
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式中,GT—— 每小时所消耗的燃油量,kg。
kwkgHg
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i /
3 6 0 0

式中,Hu —— 每千克燃油的低发热值,KJ/kg。
2) 指示耗油率 gi
它代表每一指示千瓦小时所消耗的燃油量。
很明显,指示耗油率 gi愈大,即表示为了在气缸里作出一千瓦小时的功所消耗的燃油愈多 。 这就说明工作循环进行得不好,热损失大,当然这时的指示效率 ηi也就愈低 。 所以 ηi,gi是表示工作循环进行得好坏的指标 。
（ 二 ） 有效指标柴油机的指示指标是以工质对活塞作功为基础上的 。 但在实际上,柴油机是通过曲轴对外作功的,曲轴上的功才是实际的有效功
。 以曲轴上所得功为基础的指标即为有效指标,有效指标有下列几种：
1,械损失功率 Nm和有效功率 N e
1） 机械损失功率 Nm,（ 由以下四部分组成 ）
a） 摩擦损失功率 Nm1：柴油机各相对运动部件表面因摩擦而消耗的功率 （ 与摩擦面上的正压力,运动速度,加工质量等有关 ） 。
b） 带动辅助机械所消耗的功率 Nm2：如带有喷油泵,燃油泵,
冷却水泵,滑油泵,分配机构等 。
c） 泵气功率损失 Nm3：这种损失只产生在非增压四冲程柴油机中,即进排气过程中所引起的功率损失 。
d） 机械增压器或扫气泵功率损失 Nm4：机械增压器或扫气泵 （
罗茨泵 ）,由于通过曲轴驱动,均需消耗一部分功率 。 显然废气涡轮增压或不带机械增压器的柴油机,无这种功率损失 。
整个机械损失功率 为：
m4m32m1m NNNNN m
2) 有效功率 N e
将气缸内,发出的指示功率 Ni扣除了机械损失功率 Nm以后就是柴油机输出轴向外输出的有效功率 Ne,又称轴功率或制动功率 。
柴油机有效功率是在试验台上用水力测功器或电力测功器直接测出,在船上可用扭力测功器等仪器测出 。
me NN iN
2,机械效率 ηm
柴油机的机械效率就是有效功率与指示功率的比值,即现代船用柴油机在额定工况下 ηm值：四冲程非增压柴油机 ηm约为 0.75~0.85；四冲程增压柴油机 ηm约为 0.80~0.92；二冲程非增压柴油机 ηm约为 0.73~0.862；二冲程增压柴油机 ηm约为 0.80~0.95。
i
m
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N
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N 1?
3,平均有效压力 Pe
知道了平均指示压力 Pe和机械效率 ηm之后,就可以求出柴油机的平均有效压力 。
Pe的数值取决于工作循环进行的完善程度和机械损失的大小 。 pe值高,则说明柴油机的强化程度高,气缸内的潜力发挥得充分,所以它是柴油机中一个极为重要的指标 。
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4,柴油机的有效效率 ηe和有效耗油率 ge
在考虑了柴油机的热损失和机械损失之后,所剩下的就是柴油机的输出功了 。 我们用 有效效率 ηe来表示柴油机的总效率：
和有效效率 ηe相对应的是 有效耗油率 ge,它表示柴油机每发出一千瓦小时的功率所消耗的燃油量 。
式中,GT—— 每小时燃油消耗量 。
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e
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4-4 柴油机的特性一 概述
1、指示功率的表达式
Ni =pi ·v s ·n · i / (0.03 τ) KW
2、有效功率的表达式
Ne= Ni ·ηm =pi ·v s ·n · i · ηm / (0.03 τ) KW
(pe= pi · ηm )
Ne = pe ·v s ·n · i / (0.03 τ) KW
3、参数关系
1) 对一给定的柴油机来讲,vs,i,τ为已知常数。 因此,Ne
是随 pe,n而变的函数：
Ne = f（ pe,n ）
2) 输出矩扭 Me与 Ne之间的关系为：
Ne = Me · n/9,55
或 Ne = f（ Me,n ）或 Me = 9,55 Ne /n
式中,Me———— 柴油机的输出矩扭。
3) 输出矩扭 Me与平均有效压力 pe 之间的关系为：
Me = 9,55 Ne /n = 9,55 Vs · pe / (0.03 τ) =K · pe
式中,Vs———— 柴油机的气缸工作容积总和。 Vs=vs · i
K——— 对一给定的柴油机来讲，
K= 9,55 Vs / (0.03 τ) =常数。
因此,Me 与 pe 成正比，即 与喷油量成正比 。记为：
Me = f ( pe )
4) 总结：
Ne = f（ pe,n ）
Me = f ( pe )
3、柴油机运行规律与参数之间的关系：
1） n变,pe 不变。 （即每一个工作循环的 喷油量 不变）
2） n变,pe 也变。
3） n不变,pe 变。
4、柴油机特性概念：
柴油机工作参数（ Ni,Ne,ηi,ηe,gi,ge,Me等）和变量 pe,
n之间的函数关系为称 柴油机的特性 。
5、柴油机特性分类：
柴油机工作参数（ Ni,Ne,ηi,ηe,gi,ge,Me等）随转速 n
和随平均有效压力 Pe而变化的规律分别叫做柴油机的 速度特性和负荷特性 。
柴油机特性分类如下：
柴油机特性
减额功率输出特性。
多参数特性）。万用特性（泛用特性，
。变）（带发电机工况）不变，负荷特性（
也变。变，推进特性，
不变。变，外特性和部分特性，
变）速度特性（
Pen
Pen
Pen
n
二,速度特性 (n变 )
1、外特性
n 变,pe一定时，由 Ne = f（ pe,n ）知,
Ne ∝ n ; Me = f ( pe ) = 常数。
Ne = Me · n/9,55 = f ( n )
即 Ne 与 n成直线关系,如下图所示,
实际上有如下因素影响：
（ 1）每循环进气量与 n 有关。 2）热态状与 n 有关。
（ 3）指示效率的变化。
（ 4）每循环喷油量也与 n 有关。定时,因此,pe 是变化 的。
1）外特性的定义在速度特性线中，把柴油机在喷油量（即 pe）不变时，在各种转速 n下的最大做功能力称为 柴油机的外特性 。
2）外特性的种类根据柴油机工作时的强化程度不同，其又可分为：
（ 1）极限功率外部特性曲线（简称极限外特性线）（平均有效压力 pe1 ）
含义,柴油机热负荷和机械负荷达到极限程度。
（ 2）冒烟外特性线（又称为 15分钟功率特性曲线）
含义,柴油机热负荷非常高，表示开始冒烟与不冒烟的分界线。
（平均有效压力 pe2 ）
pe2=(0.85~0.92) pe1
（ 3）超额外特性线（又称为 1小时功率特性曲线）
含义：柴油机热负荷很高，一般作为船用主机的最大功率或超额功率，持续使用时间不应超过 1小时。
（ 4）额定外特性线（又称为 12小时功率特性曲线）
含义：柴油机热负荷和机械负荷适中，能较长时间持续工作
（不小于 12小时）。由工厂台架试验定确。做船用主机时，持续工作时间不应超过 12小时。
船舶规范规定,船用主机的超额功率为额定功率的 110%，最大转速 nmax为额定转速 nH的 103%，此时柴油机持续运行 1小时不应冒黑烟。
（ 5）持续功率外特性线（又称为持久功率外特性线）
含义：柴油机热负荷和机械负荷好，一般作为船用主机的常用功率，可长期持续使用。
持续功率为额定功率的 90%，转速为额定转速 nH的 100%。
（ 6）部分功率外特性线含义：柴油机热负荷和机械负荷较底，喷油量更小。
（ 7）等转矩限制外特性线设 Me = MeH = 常数则 Ne = MeH ·n / 9.55 = A · n
式中,MeH———— 柴油机额定功率和额定转速时的转矩,
A ———— 常数,
含义：柴油机在全部转速范围内，在此线下，柴油机和轴系都可安全工作。
（ 8）最底负荷限制外特性线
（ 9）最高转速限制线
（ 10）最底转速限制线船用柴油机的工作范围：
2、推进特性
(n变,Pe也变）
柴油机作为船用主机带动螺旋桨时，两者关系是：
1）两者保持能量守恒；
2）运动一致。
由船舶原理知低速排水量型船舶，其螺旋桨吸收的功率与转速的三次方成正比，即：
Ne=
我们把柴油机的工作按照 Ne= 的规律的变化关系称为柴油机的推进特性三,负荷特性
(n不变,Pe变）
柴油机带直流发电机时要求电压不变，带交流发电机时要求周波数不变，因此柴油机应恒速运行。当外界负荷变化时通过改变 Pe来进行调节。
3Kn
3Kn
船用柴油机推进特性曲线四、柴油机的万有特性图 1-18 船用 柴油机特性曲线综合图 (1)
图 1-18 船用 柴油机特性曲线综合图 (2)
第 5章 船、机,桨工况配合特性一,研究 船,机,桨工况配合的目的二,船,机,桨三者的关系三,研究 船,机,桨配合的原则和方法四,研究的范围
1,工况配合的分类和 研究范围
1） 稳定 （ 静态 ） 工况时的 配合特性
（ 1） 设计 工况时的 配合特性
（ 2） 非设计 工况时的 配合特性
2） 过渡 （ 动态 ） 工况时的 配合特性
（ 1） 起航,加速 工况时的 配合特性
（ 2） 转向 工况时的 配合特性
（ 3） 倒车 工况时的 配合特性
2,稳定 （ 静态 ） 工况的含义
5-1 船、机,桨工况配合概述船、机,桨稳定（静态） 工况 配合曲线一,设计 工况时的 配合特性
[功率 — 转速 （ 航速 ） 坐标系 ]
1,工况 配合特性曲线图的构成
5-2 单机,单桨推进 装置 工况配合特性 （ 稳态）
（以直接 传动为例）
设计 工况 配合特性曲线图（ 1）
设计 工况 配合特性曲线图（ 2）
设计 工况 配合特性曲线图（ 3）
2、设计 工况 配合特性分析与讨论
1) A点为 船、机,桨的设计 工作点，在 A点航行时的航速为 设计 航速。
（ 1）桨在设计状态下 工作，具有最佳 效率。
（ 2） 柴油机在 额定 负荷（ MH)和 额定转速（ nH）下运行，
发出 额定功率 （ NeH)，桨收到主机的全部功率，主机的功率被充分利用，耗油率（ ge）低。
（ 3） 船以 设计 航速航行,船、机,桨实现 最佳配合，推进装置获得最高 效率。
2） C为高于设计 航速（ VsH）的工作点，即 VsC＞ VsH 。
（ 1） 船、机处 于设计 载荷时的 特性线 1BA上，阻力特性不变（ J
不变）,螺旋桨效率等于设计效率。
（ 2） 柴油机为适应 螺旋桨的需要，增加 负荷（ 加大喷油量 ）和提高 转速，超 负荷 运行,工作 状态变化，性能下降（影响寿命），
故只能在特殊情况下短期运行。
3） B为低于设计 航速（ VsH）的工作点，即 VsH＞ VsB 。
(1) 船,桨特性不变（ J不变），螺旋桨效率等于设计时的效率。
（ 2）主机 处 于部分 负荷下工作（如 4B特性线），主机的功率不能充分利用，耗油率（ ge）上升，效率也降低。
4）在设计 工况下（即 设计 载荷下）,船舶增 速受 主机超额转速和超额功率的限制； 船舶低 速航行，则受 主机最 低稳定 转速和 最 低 负荷 的限制。
二,非设计 工况时的 配合特性
[功率 — 转速（航速）坐标系 ]
1,工况 配合特性曲线图的构成非设计 工况 配合特性曲线图
2、非设计 工况 配合特性分析与讨论
1）螺旋桨沿着重载 工况推进 特性线 3B1曲线工作时，
受 主机额定转矩的限制，只能沿着额定 负荷 特性线 2BA曲线工作,机,桨配合 工作点为 B。
（ 1）螺旋桨离开 设计条件，效率降低。
（ 2）主机转速被迫下降，虽然发出额定转矩，但功率未达到额定值，效率降低（ ge上升）。
(3) 船 速降低。
（ 4）结果是 推进装置的功 率不能全部利用，经济性降低，航速减慢。
2）螺旋桨沿着轻载 工况推进 特性线 4C曲线工作时，
受 主机额定转速的限制,机,桨配合 工作点 只能平衡于 C
点 。
（ 1）螺旋桨离开 设计条件，效率降低。
（ 2）主机 受 额定转速的限制，只能按部分负荷特性线 5C曲线工作，虽然转速达到额定值，但发不出额定功率。
（ 3）航速稍有升高，因为 J2＞ J0,并且 nc ＞ nH。
（ 4）结果是机,桨性能下 降，主机 的功 率未能全部被利用,推进装置的 经济性降低，航速稍有升高。
4）在非设计 工况下（即 非设计 载荷下）,主机额定功率未能全部被利用的原因是：当轻载 工况时，受 主机额定转速的限制，转矩未达到额定值；当重载 工况时，受 主机额定转矩的限制，主机转速未达到额定值。
三,结论
1、单机、单桨直接传动推进装置只有一个最佳配合工作点，即在设计载荷时的设计工作点（ A)。
2、在非设计工作点工作时，推进装置功率不能全部利用，综合效率下降，经济性变坏。
3、因此，这种推进装置对工况和载荷多变的船舶不太适应，而对工况稳定的（如海洋和沿海运输）船舶，则能发挥其优越性。
四,主机轴带 负荷式
1、目的,a)节 能 ;
b)减少机电设备的规模和数量 ;
c)降低初投资。
2、工况 配合特性分析与讨论
3、剩余功 率的概念柴油机在以某一 转速带螺旋桨工作时，除发出带螺旋桨所需要的功率之外，潜在的尚能发出的功率 称 为 剩余 功率。（简 称余 功）
4、剩余功 率的表达 式
1) 转速为 n时的 余功
△ N=Ne-Np=NeH(n/nH)- NeH
2) 最大余功的 表达 式及此时的 转速令 △ N’={ NeH(n/nH)- NeH }’ =0
（对转速 n求导）
3/ Hnn
3/ Hnn
得到,NeH - 3NeH = 0
∴ 3 =1
∴ n/nH=
n=0.577nH （最大余功时的 转速）
△ Nmax=NeH(0.577nH/nH)-NeH
=NeH (0.577-0.192)
=0.385NeH （最大余功 ）
2/ Hnn
2/ Hnn
3
1
3/577.0 HH nn
剩余功 率的概念及其范围一,条件与假设
1,不考虑 传动损失,即 ηc = 0 ；推进效率 ηt = 1。
2,运动一至,能量守恒 。
对 船,桨有,2Pe=R,2Np=NR;
对 机,桨有,np=ne,Mp=Me,Np=Ne。
二,工况 配合特性曲线图的构成
[功率 — 转速 （ 航速 ） 坐标系 ]
5-3 双机,双桨推进 装置 工况配合特性 （ 稳态）
（以直接 传动为例）
双机、双桨 工况 配合特性曲线图三,设计 载荷下的工况 配合特性分析
1,在 A0点航行；
船以 设计 航速航行,船、机,桨实现 最佳配合，推进装置获得最高 效率。
2,在 A---B段航行时；
船 速比较低 。
3,在 B---1段航行时；
船 速更低 。
1） 双桨同时 工作；
2） 单桨 工作 （ 拖 桨 工况 ） 。
KQ=Q/
四,讨论及应用意义从低航速的要求与 柴油机的 负荷和 转速的关系来考虑：
假设：当航速降至 40%的设计航速时：
1、双桨同时 工作 时，每台机的 负荷大约为：
Ne=
2、单桨 工作 时,工作 机的 负荷大约为：
Ne ＞ 2× 6.4% NeH，即 Ne＞ 12.8% NeH 。
eHeHeH
sH
s NNN
V
V %4.64.0 3
3

一,海上功率储备
1,主机能力储备 （ EM)
2,海况储备 (SM)
二,主机选型
1,合同功率和转速的概念 (CMCR,nCMCR)
2,主机选型问题在合同功率和转速与标称功率和转速不相同时如何选机,例题说明：
5-4 海上功率储备和主机选型设有一顶推轮，拖曳速度为 13km/h,经螺旋桨初步设计并考虑 10%的海况储备后得；
CMCR=1500kw,
nCMCR=500r/min,
i0=1.83(齿轮 箱的速比已选定 ),
螺旋桨要素（ D,H/D,AE/A0,Z） =(1.7m,1.2,0.57,4),可供选择的 主机参数如下表，问 A,B和 C哪台机符合要求？
机型参数 A B C
MCR(kw) 1500 1600 2100
nmin(r/min) 600 700 700
设 MA,MB,MC分别是三台机扣除 10%储备后螺旋桨设计扭矩（即可供给螺旋桨的扭矩），所以有：
MA=(0.9NA/nA)?i0=(0.9× 1500/600)× (60/2?) × 1.83
= 39.34 kN.m
MB=(0.9NB/nB)?i0=(0.9× 1600/700)× (60/2?) × 1.83
= 35.97 kN.m
MC=(0.9NC/nC)?i0=(0.9× 2100/700)× (60/2?) × 1.83
= 47.21 kN.m
要求的 螺旋桨设计扭矩为：
M0=(0.9N0/n0)?i0=(0.9× 1500/500)× (60/2?) × 1.83
= 47.21 kN.m
因此只有 C机满足要求。（但主机功率富余量较大，
在 设计工况 主机的功率和 转速均未达到额定值，初投资增加了。 ）
如果要 选用 A机或 B机，则必须修改减 速比（螺旋桨设计参数不变）。
因为 螺旋桨设计为：
np0=nCMCR/i0=500/1.83=273.22 r/min
如果 选用 A机，则：
iA= nAMCR/ np0=600/ 273.22 =2.196
（此时,MA=47.208 kN.m，最合适。）
如果 选用 B机，则：
iB= nBMCR/ np0=700/ 273.22 =2.562
（此时,MB=50.358 kN.m，偏大。）
3、齿轮 箱减速比选择 问题以上例的 A机为对象，在不重新设计螺旋桨的情况下：
1）如果 选择的 齿轮 箱减速比 i1< iA（ 2.196）,对 A机来说，螺旋桨显得“重” 了。
2）如果 选择的 齿轮 箱减速比 i2﹥ iA （ 2.196）,对 A机来说，螺旋桨又显得“轻” 了。
分析如下：
分析如下：
及 Mp=iMe
在不修改螺旋桨要素时，其 KQ,D都为常数,?也为常数。于是对同一主机的转速 neA时，所需的主机输出扭矩
Me与速比呈反比关系，如下图所示：
5
2
52 D
i
nKDnKM e
pp



52
3 Dni
KM
ee?

述引：
在分析定矩 桨 推进 装置的工况 配合特性后可知：
1） 当 船舶在的 稳定设计满载 工况下航行时,主机能发出全部功率 ——额定扭矩 (MeH )和 额定转速 （ nH）,船舶则达到 额定 （ 设计 ） 航 速；
2） 当 船舶 转入轻载 工况下航行时,主机不能发出 额定扭矩 (MeH )是受 额定转速 （ nH） 的限制,因此 发不出 额定功率 。
3） 当 船舶 转入重 （ 超 ） 载 工况下航行时,主机 受 额定扭矩 (MeH )的限制,达不到 额定转速 （ nH）,也 发不出额定功率 。
5-5 可调桨推进 装置 工况配合特性定矩桨推进 装置 在 船舶偏离设计工况时，不能发挥主机的全部 功率。其原因从螺旋桨原理来分析则是 工况变化时，船 速发生 变化,螺旋桨的水流有效冲角 αk发生了 变化，
使 螺旋桨上的水动力扭矩 M与 柴油机的 额定扭矩 (MeH )不平衡。如果 能通过 调整螺矩大小，保证 αk大小不 变,则可保证 M= MeH,于是就 出现了 可调螺矩螺旋桨，较好地解决 了上述问题。
一、概念根据螺旋桨螺矩的不同特征有：
1）可调螺矩螺旋桨；
2）可控螺矩螺旋桨；
3） 变 螺矩螺旋桨；
4） 定 螺矩螺旋桨；
5）可 变 螺矩螺旋桨。
二,可调桨的工作特性
1,定螺矩螺旋桨的水动力特性：
只有一组工作曲线，如下图所示。
由图可知,定螺矩螺旋桨的进 速系数 J与推力 系数 KT和扭矩系数 KQ一一对应。
定螺矩螺旋桨的水动力特性图
2、可调 螺矩螺旋桨的水动力特性：
可调 螺矩螺旋桨可视为一系列同一直径的具有不同螺矩比的定螺矩螺旋桨的 组合，因此，它的工作曲线为一簇
。 这样，在相同的进速系数 J下，有无数个推力系数 KT和扭矩系数 KQ与之对应。其 工作曲线如下二图所示：
52 DnK?

故可调螺矩螺旋桨的推力和扭矩不仅随转速而变，同时也随着螺矩比的改变而变化。其函数关系如下：
即当 J一 定 （ J=常 数）时，根据 螺旋桨 水动力特性方程式和水动力特性曲线图，可知：
52
42
DnKM
DnKP T



∵ P = f (n,KT),又 ∵ KT= f `(H/D),
∵ M = f (n,KQ),又 ∵ KQ= f ``(H/D),
∴ P = f (n,H/D),同理,M = f (n,H/D)。
可调 螺矩螺旋桨所有的工作特性都是基于其螺矩比
(H/D)可变的原因。
3、可调 桨的工作特性
1） KQ= 常数时，表明在任何航速（工 况 ）下均可充分利用主机的全部功率。
KQ= 常数即表示在 KQ—— J曲线图上为一条直线，如下工作曲线图所示。
由于：
)55.9(5352
n
NM
DnC
N
Dn
M
K epep?




所以，当 n及 D已给定,KQ=常数时，即代表 Ne一定。
又因为 J=Vp/n·D，所以 J即能代表 Vp,因此这一曲线（直线）
表明了在任何航速（工 况 ）下均可充分利用主机的全部功率。并可概括如下：
n=常数,Ne =常数，可得一常数 KQ，而 Vs(或 J)变化，
H/D变化。
2） 船舶在 任何工 况 下均可保持机桨转速（或航速）
恒定。
根据 螺旋桨 水动力特性方程式可知：
对可调 桨来讲有 P=f(n,H/D)
又根据,螺旋桨法则,：
（ 1） 螺旋桨 转速与 船 航速成正比关系；（ np∝ Vs）
(2) 螺旋桨推力和 扭矩与 船 航速的平方成正比关系；
(3) 螺旋桨吸收功率和轴功率 与 船 航速的立方成正比关系。
42
42
)/,(
Dn
P
DHnK
Dn
P
K
T
T

即
2VsMP?或3VsNN SP?或
有关。载荷与航行工况为某一常数。设
0
`220
0202
,
C
PCVVCp
CAVCVAP
pp
ps


特性曲线图）次曲线。（见下水动力为一条二动力特性曲线图上表示上述函数关系式可在水有关。常数，与工况（载荷）
中，可得到：代入将


CJCDHnK
Dn
P
DHnK
Dn
PC
J
T
T
2
4222
`
2
)/,(
)/,(
为某一常数。 `22
`
2 C
Dn
PCJ
Dn
VJ p?
由上曲线图可以得出可调 桨下列特性。
（ 1）在给定 转速（ n=C）下，在此曲线上可得到任一航速。
使用意义：
a,恒速运转 轴 带负荷（如发电机）；
b.主机不反转,船可实现由正航最大航 速到倒 航最大航 速的 航行。（见下推导）
注：可调 桨同一个 J时代表的 工 况（ 载荷 ）不是唯一的，这是与 定螺矩螺旋桨不同的。

表示了倒行速度。


p
pT
p
V
VCJCKJJ
Dn
V
J 2`222?
（ 2）在给定的 航速（ Vs=C）下，在此曲线上可找到 螺旋桨效率最高的螺矩比和相应的 转速。
使用意义：
a,在同样的航速（ Vs=C）下，可减少 轴 功率。并可得到?p=f(n)的曲线。
b,在同样的航速（ Vs=C）下，有各种不同的 n和 H/D的配合，来满足所需的功率，因此，可找到发动机与之对 应的 功率和转速。并可得到?e=f(n)的曲线。
c.推进 装置的 效率取决于?e和?p的乘积,因此，就可找出一个极值点，即为机,桨最佳配合点。（ 对 应的 功率、
转速和 螺矩比都可求出）
（ 3）在给定的 航速（ Vs=C）下，可通过不同的转速来达到。
使用意义：
a,可避免发生共振（临界转速）；
b,船可实现微 速航行或原地不动 而主机仍可连续运 转
。（如用于拖网鱼 船、消防船等 ）
三、重 载或拖曳 工况的配合特性
（可调桨特性在变 工况 的应用例一）
如下列工作曲线图所示。
四、轻 载或自由 工况的配合特性
（可调桨特性在变 工况 的应用例二）
如下列工作曲线图所示。
5-6 案例分析
1、某设计单位（称简甲方）为一用户设计一条 1000t
级货船，选用的主柴油机额定功率为 185kw,额定转速为
850r/min，选用的船用齿轮箱减速比 i=7.06，传递能力为
0.185kw/r/min,并进行了良好的机桨配合。某船厂（称简乙方）施工时，因设备技术参数、价格等原因，改用减速比 i=5.05，传递能力为 0.22kw/r/min的船用齿轮箱,其余设备技术参数未变更。实船试航结果分析表明：主机功率及转速均未达到设计工况要求，航速也受到影响。试用图、
文分析全程责任点和责任方，理由是什么？
2、一用户需要建造一条以柴油机为主机的顶推拖轮
（采用定螺矩螺旋桨），要求顶推量为 3× 500t，航线为重庆 —— 上海；上水时有一浅滩，推拖轮以顶推 1× 500t
货驳过浅滩，但上滩船速不能小于 18km/h（连续航行时间大约 2h）。设计单位选取了上滩顶推一只货驳作为设计工况，并按航速 18km/h来选取主机功率，好较地完成了设计任务。试问：你能否根据设计任务书的要求，提出一个新的设计方案，并用图、文分析比较两个方案的特点和区别。
3、一用户要建造一条沿海散货船，向设计单位只提出了吨位和满载营运航速的要求。船舶满载营运时表明：
主机功率及转速均达到了合同功率 (CMCR）和相应的转速
（ nCMCR)，同时船舶达到营运航速。设计单位认为完成了设计任务，但用户提出了异义。试问：你对该船的设计结果如何评估？（用图、文分析说明）