第七章 特性.docx

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第七章特性

第七章柴油机特性

第一节概述

一、船舶柴油机的工况

柴油机在不同条件下运转的功率与转速称柴油机运转工况。

船舶柴油机的运转工况及工作特点：

（1）发电机工况。

柴油机转速保持恒速而运转功率随航行条件或船舶耗电量而变。

电力传动的主机和发电柴油机均按此工况运转。

（2）螺旋桨工况。

在稳定运转时，柴油机的功率与转速按三次方关系变化。

即有效功率Pe=Cn3（C一常数）。

如直接驱动定距桨的柴油主机。

（3）面工况（其他工况）。

功率与转速之间没有一定的关系。

在某一定转速时可有不同的运转功率，

或在某一定运转功率时可有不同的转速。

如驱动调距桨的柴油主机，在不同螺距时运转；

定距桨船舶在不同的航行条件运转，如（污底，重载与轻载，海面状态）

驱动应急救火泵，应急空压机的柴油机等。

二、柴油机特性及研究柴油机特性的目的

1．柴油机特性

柴油机主要性能指标：

pe、Pe、Me、e、be、m、Pi、i、pi、bi、

柴油机工作参数：

n、pk、pz、tr、nk、tT、、

柴油机主要性能指标与工作参数随运转工况变化的规律称柴油机特性。

2．研究柴油机特性的目的

（1）评价柴油机的性能。

判断柴油机的动力性、经济性、可靠性和使用的可能性等；

（2）确定柴油机的工况。

决定柴油机在船舶条件下的极限允许使用范围，选择最佳工作点，使柴油机具有较好的工作性能；

（3）分析影响特性的因素。

以便找到改善发动机特性的途径；

（4）检测柴油机的状态。

判断出柴油机运转中的技术状态，以便进行调整与检修。

三、柴油机特性分类

根据功率公式Pe=C·pe·n·i，可决定柴油机三类特性：

（1）速度特性：

pe不变（即固定喷油泵油量调节机构），Pe与n间的变化规律。

（2）负荷特性：

n不变，改变pe来改变Pe

（3）推进特性：

pe与n同时改变，且Pe＝Cn3。

第二节速度特性

速度特性——柴油机的有效功率与其转速间变化规律。

速度特性只能在制造厂试验台上测定的。

速度特性本质上反映出柴油机所具有的潜在的最大工作能力。

图7-2-16ESDZ75/160B型柴油机的全负荷速度特性

根据喷油泵油量调节机构固定位置的不同，柴油机的速度特性可分为：

全负荷、超负荷和部分负荷速度特性。

一、全负荷速度特性（处特性）

油量调节机构固定在标定供油位置（在标定转速nb发出标定功率Pe）。

全负荷速度特性测定方法如下：

（1）柴油机空车运行，通过调速器逐渐增速至标定转速nb，并稳定运转；

（2）逐加负荷（通过水力测功器），使柴油机输出功率达到标定功率Pb，然后固定此油门（即全负荷标定油门），并与调速器脱开。

测量该运转点的有关性能参数与运转参数并记录。

（3）通过增大水力测功器负荷（即柴油机外负荷），降低柴油机的转速，并在柴油机的转速范围内选定的不同转速下稳定运转，分别测取不同转速时的性能参数与运转参数并记录。

根据我国国标：

全负荷速度特性测定时必须遵循国家规定的统一试验标准，包括标准试验环境状况和试验功率（以何种功率作为标定功率）。

我国规定，船用柴油机应以持续功率（在标准环境条件下，以标定转速允许长期连续运转的最大有效功率）作为标定功率。

它表示柴油机在不超过标定油量情况下柴油机在各种转速下所能发出的最大有效功率。

二、超负荷速度我和部分负荷速度特性

（1）超负荷速度特性：

船用柴油机的超负荷功率为110％Pe（相应转速为103％nb），在12h运转期间内只允许超负荷运转1h。

不可冒黑烟。

（2）部分负荷速度特性：

油量调节机构分别固定在低于标定供油量的各个选定位置时，测得的速度特性。

三、速度特性的参数

柴油机按速度特性工作时，喷油泵供油调节机构固定在相应位置上，此时可以认为喷油泵供油系数变化不大，即循环供油量基本不变。

此时有关参数的变化规律如下：

柴油机主要性能指标：

pe、Pe、Me、e、be、m、Pi、i、pi、bi、

柴油机工作参数：

n、pk、pz、tr、nk、tT、、

（1）转速n增加，充量系数c降低。

（2）转速n增加，非增压机过量空气系降低（因c降低），而增压机增加（因进气密度增加）。

（3）转速n增加，非增压机指示热效率i降低（通常i与成正比）而增压机i增加。

（4）转速n增加，非增压机平均指示压力pi降低（pi与i成正比），增压机pi增加。

（5）转速n增加，非增压机和低增压机机械效率m降低（m＝l一pm／pi，转速增大，pm增大，而pi降低），而高增压机m增加。

（6）转速n增加，非增压机平均有效压力pe降低（pe＝pi·m），增压机pe增加；转速n增加，非增压机曲轴转矩Me降低（Me＝Cpe），增压机Me增加。

（7）转速n增加，非增压机与低增压机e降低（e＝i·m），高增压机e增加。

对有些增压机由于i随n增大而增大，m随n增大而减小，所以在正常转速范围内必然出现最大e（或最低be），通常该最大e多发生在低于nb的某一转速。

第三节负荷特性

图7-2-114PC4V-570型柴油机的负荷特性

柴油机负荷特性：

指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，

作用：

1）比较不同柴油机的性能或评价同一柴油机的结构设计改变或调整后的效果。

2）标定柴油机的功率；

3）绘制万有特性曲线。

负荷特性可以在试验台上或实船上测取。

其测取过程如下：

（1）柴油机（驱动发电机）空车，运行，通过调节调速器的转速设定机构使柴油机逐渐增速至标定转速nb，然后稳定运转一般时间，使有关运转参数稳定。

（2）逐渐增大外负荷（耗电量）至选定的不同负荷（如25％、50％、75％、90％、100％Pb标定负荷），并分别在选定的不同负荷时稳定运转，待有关运转参数稳定后，测取并记录有关性能参数与运转参数。

（3）当100％Pb（nb）负荷测定完毕后，即可停车，测定全部完成。

（4）以柴油机负荷（有效功率Pe，或平均有效压力）为横坐标，以记录的性能参数与运转参数为纵坐标，即可绘制负荷特性线。

在负荷特性测定中，可包括以下参数：

有效功率Pe。

、平均有效压力pe，平均指示压力pi、指示热效率i、有效热效率e、有效油耗率be、机械效率m、最高爆发压力pz、排气温度t、增压压力pk、增压器转速nr，过量空气系数а，排气烟度R等。

当柴油机按负荷特性工作时，其转速n不变，柴油机功率随循环供油量的增加而增大。

此时，当柴油机由低负荷增大时，其有关参数的变化是：

（1）机械效率m增大（m＝l一pm／pi，pm不变而增大，而pi增大），空车时m＝0。

（2）过量空气系数а与指示热效率i均降低。

（3）有效热效率e先期增加（m的增大超过i的降低），后期降低，所以必在运转范围内出现最大e或最低有效油耗率be。

第四节推进特性

一、推进特性的概述

在船舶推进系统中，船、机、桨三者处在同一推进系统中，组成一个统一的整体。

当要求船舶在某一工况下航行时，同时也决定了机、桨的运转点。

当柴油机作为船舶主机带动螺旋桨工作时，无论柴油机与螺旋桨直接连接还是通过减速齿轮箱连接，二者总是要保持能量平衡。

在稳定运转条件下，若不计传动损失，主机发出的功率Pe，和转矩Me等于螺旋桨的吸收功率Pp和转矩Mp。

根据螺旋桨理论，桨的推力Fp．和转矩Mp符合下列公式

Fp=KFn2pD4

Mp=Kmn2pD5

式中：

——水的密度，kg／m3；D——螺旋桨直径，m；

n——螺旋桨转速，r／min；

KF——推力系数；Km——转矩系数

KF、Km均为螺旋桨进程比p的函数。

它们之间的变化关系由实验测得。

进程比p是指螺旋桨每转一转实际产生的位移与螺旋桨直径D之比，

p=P/npD=hp/D

螺旋桨效率p

图7-2-3定距桨工作性能曲线图

p是螺旋桨水动力性能的一个重要参数。

对一定的螺旋桨，p取决于船舶的航行状态，即取决于船舶的航行工况。

当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就有一个固定的p值，KF、Km相应有一对应值。

p减小时，KF、Km增大，可视为Fp、Mp都增加。

当p=0时，KF、Km达最大值。

此时当np一定时Fp和Mp达到最大值，这相当于系泊试验或船舶起航的情况（即P=0）。

随着p的增大，KF、Km递减，Fp、Mp随之减小，这相当于船舶阻力降低的情况。

在p>1.0后，KF、Km先后为零，这相当于桨推力和零转矩情况。

对一定的螺旋桨，直径是常数，海水的密度变化很小，也可以认为是常数。

在特定的某一航行条件下（装载、气候、海面状况等条件不变）的各种转速下航行时，P/np基本不变，p、KF、Km皆可视为常数。

这样，推力和转矩公式可写成

Fp=C1n2p；Mp=C2n2p

即螺旋桨的推力和转矩与其转速的平方成正比。

螺旋桨所需功率Pp可由Pp=Mpn／9550来确定

可得出螺旋桨功率与转速的关系式

Pp=Cn3p（kW）

二、柴油机推进特性曲线

柴油机的推进特性是根据Pe=Cn3关系在试验台上测定的。

其测定方法如下：

（1）根据推进特性Pe=Cn3计算出在选定的各测定转速时的运转功率。

因为Pb=Cnb3，所以可知Pe＝Pb·（ne／nb）3，式中，Pb、nb为标定功率、标定转速；Ps、n为运转功率、选定任一转速。

由此可由选定的任一转速n计算相应的（推进特性）运转功率Pe。

图7-2-97RTA58型柴油机性能曲线（R1功率时）

（2）在试验台上起动柴油机，调节调速器转速设定机构，使柴油机在选定的最低转速nl下稳定工作，按计算出相应运转功率Pe1调节柴油机的外负荷（如水力测功器的进水量），使柴油机在n1与Pe1工况点稳定工作，然后测量并记录有关性能参数与运转参数值。

（3）同理调节柴油机在另一个计算工况（n2、Pe2）稳定工作，测量并记录有关参数。

（4）以此类推可得其他选定工况点（n、Pe）的有关参数值。

另外，在船舶使用条件下分别测取主机在不同转速时的有关性能参数和运转参数，可直接得出柴油机的推进特性。

三、推进特性参数分析

第五节调速特性

调速器的转速设定机构固定在某位置时，当负荷从零到最大值或相反过程的全部变化范围内柴油机的功率、扭矩或平均有效压力随转速的变化规律称调速特性。

它不涉及柴油机内部工作过程，仅与调速器工作性能有关。

对全制式调速器，应在不同的转速设定机构位置，分别测取调速特性，由此可得到调速特性曲线簇。

具有弹性反馈机构的调速器，由于其为恒速调节，即稳定调速率2＝0，所以其调速特

性曲线为垂直横坐标（转速）的垂直线。

为了对同一台柴油机测取一簇调速特性曲线，则必须多次改变．

A．柴油机的供油量B．柴油机的外负荷

C．水力测功器的流量D．调速器转速设定机构

第六节限制特性和柴油机的使用范围

一、柴油机的限制特性

柴油机的限制特性：

指限制柴油机在各种转速下的最大有效功率，使柴油机的机械负荷和热负荷不超出为保证它可靠工作而规定的允许范围。

按照柴油机的类型不同，可把最高爆发压力pz、平均有效压力pe、曲轴转矩Me、过量空气系数α、排气温度tr，以及涡轮增压器转速nT等参数作为限制因素。

其中较为常用的是Me、α和tr。

1．等转矩限制特性

建立这种限制的条件是柴油机在各种转速下的转矩值Me都等于或小于标定转速和标定功率下的转矩Mb。

要求柴油机在各种转速下长期运转时Me都不大于Mb，以免柴油机曲轴因机械负荷过大而损坏。

在柴油机各种转速下

如果Me=Mb，根据Me=9550Pe／n和Mb=9550Pb／nb，有

Pe=Pb/nb·n=cn

上式表示在Pe—n坐标系中等转矩限制特性线是一通过坐标原点，斜率c=Pb/nb的直线。

如果主机在其全部使用转速范围内，保持在等转矩限制特性曲线以下工作，则保证柴油机曲轴的机械负荷都不超过允许值。

2．等排气温度限制特性

为了限制热负荷，一些柴油机以α作为限制参数，即所谓的等α限制特性。

建立此种限制特性的条件是柴油机在各种转速下的。

都等于标定工况下的αb。

如果柴油机在各种转速下都能保持不小于αb，其热负荷则不会超出标定工况水平。

柴油机的热负荷还可以工作循环平均温度tm来表示，但工作循环平均温度tm也无法直接测取。

所以，实际是采用平均排气温度tr代替α和tm来表示柴油机的热负荷。

tr可方便地用普通的仪表测出。

它虽不能直接确定柴油机热负荷的数值，但在一定条件下反映出柴油机热负荷的大小，因此可作为限制柴油机热负荷的一个参数来建立相应的限制特性。

图7-13曲线1即为等排气温度限制特性曲线。

柴油机的限制特性是对机械负荷和热负荷两个方面的限制。

等转矩限制特性与等排气温度限制特性是不一致的。

在n从nb开始下降初期，按等转矩变化的功率小于按等排气温度变化的功率，而到n下降的后期则恰好相反。

：

因此，柴油机是在标定转速nb下降初期以转矩作为主要限制参数，后期则以排气温度作为主要限制参数。

图7-13折线3即为限制特性曲线。

二、船舶柴油机功率和转速使用范围

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Pe（或平均有效压力pe和转矩）和转速作适当的限制，即确定一个允许的运转范围。

如图7—14所示。

1．柴油机在各种转速下允许达到的最大功率

最大功率分别由超负荷速度特性（曲线4）、

全负荷速度特性（曲线2）

限制特性（等转矩限制线3和等排烟温度限制线1）来限制。

2．柴油机在各种转速下的最小功率

由最低负荷速度特性曲线来限制

3．柴油机在各种负荷下可达到的最高转速

通常由标定转速的调速特性曲线来限制

4．柴油机在各种负荷下可达到的最低转速

通常为按推进特性工作的最低稳定转速nmin限制

由此，船用主柴油机的功率与转速使用范围为由上述五种曲线所包围的面积。

第七节柴油机与螺旋桨的配合

一、机桨配合的一般原则

1．柴油机的功率得到充分利用；

2．柴油的功率在全部运转范围内都不超过允许值

不同螺距比有以下三种情况，见图7—16。

（1）标定（H／D）2：

标定螺距（H／D）2的桨特性线I与全负荷速度特性线1交于标定点a（标定功率Pb标定转速nb）。

此时柴油机如在nb运转，桨消耗功率恰为Pb，即柴油机标定功率得到充分利用。

（2）重桨螺距比（H／D）l＞（H／D）2。

其桨特性线Ⅱ与曲线1交于b点，由图可知：

P＜Pb，n2＜nB，表示此时若柴油机以全负荷速度特性工作时，柴油机的将以较低转速n2运转，无法达到标定转速nb（标定航速），如需柴油机以nb工作则需增大柴油机油门而使柴油机超负荷，工作点为超负荷速度特性3之e点，此种情况称配桨“过重”。

（3）轻桨螺距比（H／D）3＜（H／D）2。

其桨特性线Ⅲ交曲线1于d点，Pd>Pb，nd＞nb。

即此时若柴油机以全负荷速度特性工作时，柴油机将以超速（nd＞nb）运转。

如使柴油机不超速，则需降低油门而以某部分速度特性c点工作。

此时，柴油机的标定功率Pb没有充分利用。

二、选配螺旋桨时的功率储备

船舶主机留有一定功率储备的原因如下：

（1）柴油机的标定功率是在标定条件下在试验中得到的最大持续运转功率，而柴油机在海上实际运转时与试验时的环境条件不同。

（2）柴油机在使用中，由于船舶航行条件的变化，如污底、海面风浪、航区的变化及装载等，都会使船舶阻力增加，使柴油机有发生超负荷运转的倾向。

（3）现代船用柴油机，由于增压度较高，其超负荷能力较低。

所以，为了提高柴油机的可靠性，延长其使用寿命，并在特殊航行时具有较好的超负荷运转能力。

因而，通常均按轻桨原则选配螺旋桨，即留有一定的功率储备。

其储备的大小与机型、船型、船舶用途与航区等因素有关，一般由船东与船厂协商确定，如Sulzer机推荐配桨为：

85％～90％Pb、100％nb，而MAN／B&WMC机推荐配桨为：

90％～95％Pb、100％nb。

四、柴油机的减额输出及与螺旋桨的配合

减额工作区内，可由船东与厂方商定在船上实际使用的最大持续功率，称柴油机的减额输出，亦称约定最大持续功率（SMCR或CMCR）如图中点Mp。

由此，扩大了柴油机的使用范围和满足了用户对节油的要求，并给螺旋桨的配置提供较大的灵活性。

当代超长行程柴油机为了扩大船一机一桨匹配的范围，均提供了相应的“减额工作区”（DeratingArea）。

MAN／BSLWSMC型柴油机的减额工作区是由两条等平均有效压力线L1一L3（100％pb）和L2一L4（80％pb），pb为标定平均有效压力以及两条等转速线L1一L2（100％nb标定转速）和L1一L2（75％nb）组成的。

如图7—3所示。

在整个工作区内，柴油机的最高爆发压力是相同的。