【文章內(nèi)容簡介】 柴油機平均有效壓力pe保持不變，有效功率Pe隨船舶柴油機的轉(zhuǎn)速n改變而改變，稱該特性為速度特性。 柴油機速度特性曲線柴油機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n保持恒定，通過改變船舶柴油機的平均有效壓力pe來改變有效功率pe，稱該特性為負(fù)荷特性。 柴油機負(fù)荷特性曲線船舶柴油機按照螺旋槳的特性正常工作時，各性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速(或負(fù)荷)變化的規(guī)律，稱為柴油機的推進特性。柴油機的特性曲線是船舶設(shè)計人員選用柴油機的重要依據(jù)。柴油機有諸多特性曲線，其中對于船舶設(shè)計最為重要的是功率—轉(zhuǎn)速特性（P= f ( n )）及燃油消耗率—轉(zhuǎn)速、負(fù)荷特性（g = f (n,p)）。柴油機作為驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)的動力，其功率和轉(zhuǎn)速是按照其帶動的工作機械所需的功率和轉(zhuǎn)速而變化的。在目前柴油機船舶上，柴油機主要作為推進主機、發(fā)電機原動機和應(yīng)急發(fā)動機（應(yīng)急發(fā)電機、空壓機和消防泵的原動機）。根據(jù)目前柴油機在大型船舶上應(yīng)用的不同條件，概括起來有三類工況：發(fā)電機工況、螺旋槳工況和其他工況。本文主要針對柴油機作為推進主機是的螺旋槳工況進行分析[2]。 船用柴油機工況曲線曲線1：.發(fā)電機工況曲線2：螺旋槳工況曲線3：其他工況每種型號的船舶柴油機都有其自己的選型區(qū)域（layout diagram），區(qū)域內(nèi)任何一工況點都能被選定為約定最大持續(xù)功率（CMCR或SMCR）。約定最大功率是指船東和廠商商定的船舶實際運行過程中使用的最大功率。再確定完最大持續(xù)功率后，柴油機的運行范圍即可確定。目前世界上最大的兩家船舶柴油機供應(yīng)商MAN和瓦錫蘭公司都會提供他們設(shè)計生產(chǎn)的柴油機的選型區(qū)域。該主機適用選型區(qū)域按照功率與轉(zhuǎn)速的組合進行定義： L1 L2 L3與 L4，其中 L1表示額定 MCR。選型區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速與功率的任一組合均能用于選擇選定最大持續(xù)功率 (SMCR) 點。（L1L2為100%nb等轉(zhuǎn)速線，L3L4為75%nb等轉(zhuǎn)速線，L1L3為100%Pb平均有效壓力線，L2L4為80%Pb平均有效壓力線。） MAN船舶柴油機選型圖該主機適用選型區(qū)域按照功率與轉(zhuǎn)速的組合進行定義：R1，R2，R3，與R4。其中R1表示為船舶柴油機最大持續(xù)功率（MCR即標(biāo)定功率）。選型區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速與功率的任一組合均能用于選擇選定最大持續(xù)功率 (SMCR) 點。（R2為100%標(biāo)定轉(zhuǎn)速和55%標(biāo)定功率的交點，R3為72%標(biāo)定轉(zhuǎn)速和100%標(biāo)定功率的交點，R4為72%標(biāo)定轉(zhuǎn)速和55%標(biāo)定功率的交點。） 瓦錫蘭船舶柴油機選型圖船舶推進系統(tǒng)中，船體、主機、螺旋槳三者處在同一推進系統(tǒng)中，組成一個有機統(tǒng)一的整體。當(dāng)要求船舶在某一工況下航行時，決定了機、槳的運轉(zhuǎn)點。當(dāng)柴油機作為船舶主機帶動螺旋槳工作時，二者總是必須要保持能量平衡。在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的條件下，如果不計如傳動帶來的損失，主機發(fā)出的功率Ｐe和轉(zhuǎn)矩Ｍe等于螺旋槳的吸收功率Pp和轉(zhuǎn)矩Mp。因為螺旋槳所需的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，船舶主動力裝置帶動螺旋槳工作時就必須滿足螺旋槳運行中的功率要求。如前所述，不計傳動損失螺旋槳的吸收功率就等于主機功率。這樣，主機功率Pe與轉(zhuǎn)速也是三次方關(guān)系，Ｐe= Pp＝Ｃnp3（kW)。根據(jù)螺旋槳理論，槳的推力FP和轉(zhuǎn)矩MP符合下列公式: Fp= KFρnp2D4Mp = Kmρnp2D5式中：ρ——水的密度，kg/m３　D——螺旋槳直徑，m；　np——螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；　KF——推力系數(shù)；　Km——轉(zhuǎn)矩系數(shù)。KF、Km均為螺旋槳進程比λp的函數(shù)。它們間的變化關(guān)系由實驗測得,如圖所示：進程比λp是指螺旋槳每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)實際產(chǎn)生的位移與螺旋槳直徑D之比，即：λp＝vp／（npD）＝hp／D式中：hp——螺旋槳每一轉(zhuǎn)的進程；　 v ——船速。λp是螺旋槳水動力性能的一個重要參數(shù)。對一定的螺旋槳，λp取決于船舶的航行狀態(tài)，即取決于船舶的航行工況。當(dāng)船舶在某一工況下穩(wěn)定航行時，螺旋槳就有一個固定的λp值，KF和Km相應(yīng)有一對應(yīng)值。從圖 94中可看到，λp減小時，KF和Km增大，可視為Fp和Ｍp都增加。當(dāng)λp=0 時，KF和Km達最大值。此時當(dāng)np一定時Fp和Mp達到最大值，這相當(dāng)于系泊試驗或船舶起航的情況(即vp＝0)。隨著λp的增大，KF和Km 遞減，F(xiàn)p和Ｍp隨之減小，這相當(dāng)于船舶阻力降低的情況。在λp＞ 后，Kp和Ｋm先后為零，這相當(dāng)于槳推力和零轉(zhuǎn)矩情況。對一定的螺旋槳，直徑是常數(shù)，海水的密度變化很小，也可以認(rèn)為是常數(shù)。在特定的某一航行條件下(裝載、氣候、海面狀況等條件不變)的各種轉(zhuǎn)速下航行時，vp/np基本不變，λp、KF、Km皆可視為常數(shù)。這樣，推力和轉(zhuǎn)矩公式可寫成：Fp=C1np2Mp=C2np2即螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。螺旋槳所需功率Pp可由Pp=Mpn/9550來確定?？傻贸雎菪龢β逝c轉(zhuǎn)速的關(guān)系式Pp＝Cnp3上式反映出螺旋槳運轉(zhuǎn)特性，即螺旋槳的吸收功率Pp與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。將Ｍp=C2np2和Pp＝Cnp3繪成Mp－np和Ppnp的關(guān)系曲線即為螺旋槳特性曲線。實際上，船舶的工況常常是變化的，在各個不同的航行條件下對應(yīng)不同λp值。當(dāng)λp值不同時，同一轉(zhuǎn)速下螺旋槳的轉(zhuǎn)矩和吸收功率也相應(yīng)有不同的值。圖示出在各種不同航行條件下螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。在圖中可看出隨著航行阻力的增加(λp減小)，螺旋槳特性線變陡。 不同進程比時螺旋槳特性曲線（船舶阻力）對機槳配合點的影響。船舶阻力變化引起螺旋槳的工作狀況變化以螺旋槳的進程比λp來表示。在船舶航行時，當(dāng)船舶阻力增大(重載、污底、逆風(fēng)、頂流、淺水窄航道航行等)或運動狀態(tài)改變(系泊、起航、轉(zhuǎn)彎、倒航等)時，會使λp減小，螺旋槳的特性線變陡。圖中λpⅠ＜λpⅡ＜λpⅢ。當(dāng)機槳配合時，槳特性線Ⅱ與柴油機速度特性線2相交于a點。若阻力增大時λp減小，槳特性線由Ⅱ變?yōu)棰?，與速度特性線交于b點，柴油機轉(zhuǎn)速、功率下降。當(dāng)船舶阻力減小時λp變大，螺旋槳特性線變得平坦(曲線 ) Ⅲ。此時如果柴油機仍按原速度特性工作時，則工作點變到d點，柴油機的功率、轉(zhuǎn)速均大于原功率和轉(zhuǎn)速。如果a點是正確的機槳配合工作點，則b點時柴油機的功率未得到充分發(fā)揮。假如Ⅰ線太陡(外界阻力太大)，還會使柴油機工作在大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速工況下，其熱負(fù)荷較高，對柴油機的可靠性影響很大；d點時柴油機的轉(zhuǎn)速太高，會使得柴油機的機械效率下降和機械負(fù)荷過大(由運動部件慣性力增加引起)。為了使柴油機轉(zhuǎn)速不致太高，則要減少循環(huán)供油量，使其工作在c點。此時柴油機工作在部分負(fù)荷速度特性下，柴油機不能發(fā)出其全部功率[5]。 不同配槳時機槳配合曲線 瓦錫蘭柴油機允許運行區(qū)域 MAN柴油機允許運行區(qū)域 RTA 系列船用柴油機的允許運行區(qū)域圖和MAN Bamp。W MC 系列船用柴油機的允許運行區(qū)域圖，由圖可以看出，這兩種系列的船用柴油機對于允許運行區(qū)域的規(guī)定是類似的。下面分述如下：對于Sulzer RTA系列船用柴油機（），當(dāng)船舶柴油機所需的約定最大持續(xù)功率點 1確定后，其運行區(qū)域便由下列輪廓線限制，線①是一條過 CMCR 點的等平均有效壓力線，即等扭矩限制線，沿該線向下，主機功率和轉(zhuǎn)速都從 100%下降至 95%；線③是轉(zhuǎn)速限制線，數(shù)值為 104% NCMCR。對于降轉(zhuǎn)速運行的柴油機（NCMCR≤），如果不超過扭振極限，該限制線可擴展到線④，即 106% NCMCR；線⑤由 95％功率，95％轉(zhuǎn)速（2 點）和45％功率，70％轉(zhuǎn)速點連接而成，其方程式為：P2 / P1 =（N2 /N1）。當(dāng)運行點向線⑤趨近時，會導(dǎo)致柴油機進氣量不足，導(dǎo)致排溫升高，實際上這相當(dāng)于一條等排溫限制線；線②為標(biāo)定螺旋槳特性線。由線①、③和⑤形成的區(qū)域代表了柴油機的工作范圍。由標(biāo)定螺旋槳特性線②、 100%負(fù)荷限制線和轉(zhuǎn)速限制線③限定的區(qū)域被推薦作為主機的持續(xù)工作區(qū)。而標(biāo)定螺旋槳特性線②、線⑤和線①之間的區(qū)域應(yīng)該是功率儲備區(qū)域，用于船舶的加速、淺水區(qū)航行和常規(guī)的機動航行，這一區(qū)域不是主機理想的持續(xù)工作區(qū)。線①以上的區(qū)域為超負(fù)荷區(qū)。試航期間，在造機廠的授權(quán)代表在場時，允許主機在此區(qū)域運行一小時。對于MAN Bamp。W MC型柴油機的負(fù)荷圖，它表示柴油機與螺旋槳的配合情況及柴油機的持續(xù)運轉(zhuǎn)范圍。該圖采用對數(shù)坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為功率的百分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)。圖中 M點為約定最大持續(xù)運轉(zhuǎn)功率點(約定MCR)。A 點為基準(zhǔn)工況點，通常A=M。O點為優(yōu)化工作點，發(fā)動機增壓器的匹配，發(fā)動機的定時和壓縮比都是在此點優(yōu)化調(diào)整的，其功率約為 M 點的85%~1