船用柴油机的应用匹配探讨船用柴油机的应用匹配探讨潍柴动力股份有限公司应用工程部尹晓青2009.07.22 目 录一、船舶推进系统分析二、几种配套机械特性分析船机桨匹配探讨三、应用问题探讨一、船舶推进系统分析1 1、构成、构成5 5要素：机要素：机-箱箱-轴轴-桨桨-船船A A、相互联系：、相互联系：1 1）功率关系：）功率关系：P Ptete=P=PE E.1 12 23 34 45 52 2）转速关系）转速关系: n=N: n=Ni i3 3）速度关系）速度关系: V: VA A=V(1-)=V(1-)4 4）力的关系：）力的关系：T Ttete=T(1-t)=T(1-t)一、船舶推进系统分析B B、5 5大要素的匹配特性浅析：大要素的匹配特性浅析：1 1）柴油机的特性分析）柴油机的特性分析推进特性曲线、外特性曲线、万有特性曲线、功率转速图推进特性曲线、外特性曲线、万有特性曲线、功率转速图2 2）齿轮箱特性分析）齿轮箱特性分析配套容量图、传扭能力图配套容量图、传扭能力图3 3）螺旋桨的特性分析）螺旋桨的特性分析几何特性、敞水特性、选型曲线几何特性、敞水特性、选型曲线4 4）船舶特性分析）船舶特性分析船舶分类、阻力特性船舶分类、阻力特性一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析1 1）柴油机的特性分析）柴油机的特性分析推进特性曲线：推进特性曲线：1 1）模拟的螺旋桨理论特性曲线）模拟的螺旋桨理论特性曲线- -出厂试验，非柴油机真实运行曲线；出厂试验，非柴油机真实运行曲线；2 2）P=knP=kn3 3 A A、试验室试验方法、试验室试验方法-功率转速相同，功率转速相同， 柴油机的推进特性曲线相同（功率）柴油机的推进特性曲线相同（功率） B B、公式解释、公式解释: :指数指数3 3：近似取值，与船舶类型和航速有关，范围：近似取值，与船舶类型和航速有关，范围1.51.53.23.2 系数系数K:K:倾斜度指标，与螺旋桨的几何特征和水的密度、运行环境有关；倾斜度指标，与螺旋桨的几何特征和水的密度、运行环境有关； C C、J=VJ=VA A/ND,J/ND,J、D D恒定，恒定，V VA A与与N N成正比，而船舶的阻力与航速平方近似成正比，成正比，而船舶的阻力与航速平方近似成正比， 推导出功率与转速三次方成比例；推导出功率与转速三次方成比例；一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析1 1）柴油机的特性分析）柴油机的特性分析外特性曲线：外特性曲线：1 1）表征柴油机的工作运行范围，是柴油机的固有特性；）表征柴油机的工作运行范围，是柴油机的固有特性；2 2）根据配套机械选择柴油机的特性依据；）根据配套机械选择柴油机的特性依据；3 3）取决于柴油机本身的排量、燃油系统、进排气系统的种类及匹配优化。）取决于柴油机本身的排量、燃油系统、进排气系统的种类及匹配优化。4 4）柴油机的实际运行点为其不同负荷的速度特性曲线与配套机械特性曲线的交点。）柴油机的实际运行点为其不同负荷的速度特性曲线与配套机械特性曲线的交点。实例：优化油泵与增压器的匹配，提升柴油机的运行范围，解决匹配不合理问题。实例：优化油泵与增压器的匹配，提升柴油机的运行范围，解决匹配不合理问题。一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析1 1）柴油机的特性分析）柴油机的特性分析万有特性曲线：万有特性曲线：A A、表征柴油机的工作运行范围，是柴油机的固有特性；、表征柴油机的工作运行范围，是柴油机的固有特性；B B、根据配套机械选择柴油机的特性依据；、根据配套机械选择柴油机的特性依据；C C、取决于柴油机本身的排量、燃油系统、进排气系统的种类及匹配优化。、取决于柴油机本身的排量、燃油系统、进排气系统的种类及匹配优化。D D、与推进特性进行综合使用，判断船用柴油机的经济运行范围，选择经济航速；、与推进特性进行综合使用，判断船用柴油机的经济运行范围，选择经济航速；一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析1 1）柴油机的特性分析）柴油机的特性分析功率转速图功率转速图柴油机的使用功率分类柴油机的使用功率分类使用功率与柴油机的保养大修时间相关。使用功率与柴油机的保养大修时间相关。根据船舶的类型，柴油机的使用工况（负荷、时间）进根据船舶的类型，柴油机的使用工况（负荷、时间）进行区分。行区分。1 1区：持续工作区域区：持续工作区域2 2区：短时工作区域区：短时工作区域3 3区：超负荷工作区域区：超负荷工作区域4 4区：试航时的主机转速上限区区：试航时的主机转速上限区结合柴油机的功率分级可细化船机功率标定结合柴油机的功率分级可细化船机功率标定一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析2 2）齿轮箱的特性分析）齿轮箱的特性分析A A、配套容量图、配套容量图 B B、传扭能力图、传扭能力图C C、齿轮箱的选型考虑要素、齿轮箱的选型考虑要素1、首先确定齿轮箱输入转速2、根据柴油机功率/转速确定需求传递能力3、确定传动比4、确定输出轴、支架等安装尺寸5、根据主机输出（飞轮、飞轮壳）选择合适的齿轮箱连接尺寸6、注意：需要考虑船舶的实际运行工况特点注意：需要考虑船舶的实际运行工况特点一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析2 2）齿轮箱的特性分析）齿轮箱的特性分析FD135FD135输入齿与输出齿轮对照表输入齿与输出齿轮对照表传扭力随速比增加而传扭力随速比增加而减小减小注意：中心距一定，模数一定，则总齿数注意：中心距一定，模数一定，则总齿数= =中心距中心距X2/X2/模数；模数；再根据速比即可知道主动齿轮和从动齿轮的齿数多少；再根据速比即可知道主动齿轮和从动齿轮的齿数多少；速比速比输入齿数输入齿数输出齿数输出齿数232652.52770324733.52176419784.51779516815.5158261693一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析3 3）螺旋桨的特性分析）螺旋桨的特性分析A A、几何特性、几何特性概念：概念：直径直径梢圆的直径，直径与效率之间的关系；直径的范围；梢圆的直径，直径与效率之间的关系；直径的范围；螺距螺距旋转一周前进的距离旋转一周前进的距离叶数叶数桨叶的数量，桨叶数量的范围：桨叶的数量，桨叶数量的范围：盘面比盘面比展开面积与梢圆面积之比，盘面比的含义，盘面比的影响展开面积与梢圆面积之比，盘面比的含义，盘面比的影响B B、水动力特性、水动力特性敞水特性曲线敞水特性曲线（照片）照片）K KT T=T/n=T/n2 2D D4 4K KQ Q=Q/n=Q/n2 2D D5 5=KT/KQ.J/2Pi=KT/KQ.J/2Pi一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析4 4）船舶阻力特性分析）船舶阻力特性分析有效马力曲线有效马力曲线有效马力曲线有效马力曲线-阻力特性阻力特性阻力特性阻力特性-船型参数船型参数船型参数船型参数A A、阻力的构成、阻力的构成产生原因分类产生原因分类产生原因分类产生原因分类：总阻力：总阻力= =摩擦摩擦+ +兴波兴波+ +粘压粘压摩擦阻力：船体周围形成摩擦阻力：船体周围形成“边界层边界层”，受到粘性切应力作用；，受到粘性切应力作用；兴波阻力：运动形成波浪，首部波峰，尾部波谷，前后形成压力差；兴波阻力：运动形成波浪，首部波峰，尾部波谷，前后形成压力差；粘压阻力：船体曲度骤变，例如丰满船型的尾部常产生漩涡；压力降低，粘压阻力：船体曲度骤变，例如丰满船型的尾部常产生漩涡；压力降低， 改变了船体表面的压力分部，形成阻力；改变了船体表面的压力分部，形成阻力；研究阻力大小分类研究阻力大小分类研究阻力大小分类研究阻力大小分类：总阻力：总阻力= =摩擦摩擦+ +剩余剩余总阻力中各阻力所占比例大小主要取决于船舶的航速总阻力中各阻力所占比例大小主要取决于船舶的航速船型船型摩擦阻力摩擦阻力兴波阻力兴波阻力粘压阻力粘压阻力高速船7080%10%10%低速船约50%4050%5%一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析4 4）船舶阻力特性分析）船舶阻力特性分析B B、不同船型的阻力特点、不同船型的阻力特点船舶的航行状态分析船舶的航行状态分析gg = g g 1+L特征参数特征参数船舶类型船舶类型航态特航态特点点阻力特点阻力特点Fr1.0水面排水型船舶与静浮变化不大阻力与航态无关，主要为摩擦阻力1.0Fr3.0滑行艇船体拖向水面，开始滑行兴波阻力为主一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析4 4）船舶阻力特性分析）船舶阻力特性分析B B、船舶阻力的计算、船舶阻力的计算-船模试验的方式分两部分计算船模试验的方式分两部分计算a.a.相似定理：几何相似、运动相似、动力相似；相似定理：几何相似、运动相似、动力相似；b.b.船模试验池进行试验，获取总阻力船模试验池进行试验，获取总阻力= =摩擦摩擦+ +剩余；剩余；c.c.摩擦阻力可进行计算，相当平板假定：摩擦阻力可进行计算，相当平板假定：Cf=0.075/(lgRe-2)Cf=0.075/(lgRe-2)2 2一、船舶推进系统分析2 2、机桨匹配应用软件介绍、机桨匹配应用软件介绍1 1）复杂的）复杂的手工图谱手工图谱计算计算计算机回归方程计算机回归方程的计算的计算2 2）对回归方程中的各项参数必须明确其含义，且回归方程具有局限性；）对回归方程中的各项参数必须明确其含义，且回归方程具有局限性；3 3）针对不同船型，不同水域，采用不同的方程进行计算）针对不同船型，不同水域，采用不同的方程进行计算- 现有软件可计算运输船、渔船两大类不同工况下阻力螺旋桨的选型。现有软件可计算运输船、渔船两大类不同工况下阻力螺旋桨的选型。船型船型长长型宽型宽型深型深吃水吃水方型系数方型系数棱型系数棱型系数排水量排水量10-1502-101.5-81-50.450.830.450.85100-8000齿轮箱速比传扭力型号1.510WHG120WHG135WHG300WHG400WHG600螺旋桨桨型叶数桨数日本AU荷兰B中国GDJD导管桨高恩G-33-61-3柴油机功率转速型号35-601850-2500226STYREWP12160170工况据船舶用途分为渔船（航行、拖网）、运输船（压载、满载、风浪）、高性能船（巡航、滑行）；一、船舶推进系统分析-匹配特性浅析匹配特性浅析船舶参数（水线长、型宽、型深、吃水、排水量等)柴油机参数(功率、转速）齿轮箱参数（速比)船机-桨匹配计算软件多船型（运输船、渔船等）多工况（运输船：压载、满载、风浪等 渔船：自由航行、拖网工况等）最佳螺旋桨船舶航行特性及油耗分析输入计算输出螺旋桨参数（类型、直径范围、初始盘面比)一、船舶推进系统分析船长61.6m;型宽12m;型深3.4m;吃水2.4m;排水量978t;双机双桨，主机：300hp/1000rpm;齿轮箱：3：1船舶推力、阻力特性曲线设计匹配点船舶推力、阻力特性曲线螺旋桨参数长江运输船分析计算实例长江运输船分析计算实例一、船舶推进系统分析长37m; 宽7.6m;型深3.8m;吃水2.8m;排水量439t;单机单桨，主机：580hp/1350rpm;齿轮箱：3：1螺旋桨参数船舶推马力、有效马力特性曲线按自由航行设计匹配点海洋渔船分析计算实例一、船舶推进系统分析长37m; 宽7.6m;型深3.8m;吃水2.8m;排水量439t;单机单桨，主机：580hp/1350rpm;齿轮箱：3：1渔船主机在不同转速下的运行状况不同转速下的匹配运行状况海洋渔船分析计算实例一、船舶推进系统分析一、船舶推进系统分析3 3、机桨匹配流程分析、机桨匹配流程分析1 1）设计匹配阶段）设计匹配阶段船舶建造完成，针对主机性能试验主要包括三项：1、主机空车试验；2、系泊试验；3、航行试验类别类别方法方法标准标准备注备注空车试验空车试验1）不带螺旋桨2）柴油机带基本附件3）油门到底1）主机转速达到标准转速105%-110%主机转速试验系泊试验系泊试验转速测量法1）船舶固定2）怠速挂桨3）提速升温）提速升温4）油门到底）油门到底1）按照“试验规范1”执行主机负荷试验航行试验航行试验1）按照“试验规范2”执行主机负荷试验一、船舶推进系统分析2 2）试验验证阶段）试验验证阶段柴油机系泊试验（负荷试验柴油机系泊试验（负荷试验-采用转速法）采用转速法）序号转速相对额定值试验时间1正车50500.25264640.25373730.5480802-45倒车700.25主机航行试验（负荷试验主机航行试验（负荷试验-采用转速法）采用转速法）工况序号工况特性试验时间功率扭矩转速735KW1758391910.50.50.5210010010010022-4431101031030.250.250.254倒车700.250.250.25试验规范1试验规范2一、船舶推进系统分析二、几种配套机械的特性分析1 1、离心水泵的特性、离心水泵的特性概念认知：水泵的吸程和扬程：概念认知：水泵的吸程和扬程：吸程吸程吸程吸程/ / / /水泵的安装高度水泵的安装高度水泵的安装高度水泵的安装高度：水泵安装高度水泵安装高度= =标准大气压（10.33米）-汽蚀余量-安全量（0.5米）；扬程扬程扬程扬程-水泵的固有特性水泵的固有特性铭牌有标识：铭牌有标识：注意：扬程并非提水高度，还要考虑管路的阻力损失；一般情况下注意：扬程并非提水高度，还要考虑管路的阻力损失；一般情况下 选取扬程为提水高度的选取扬程为提水高度的1.15-1.21.15-1.2倍倍参考。参考。二、几种配套机械的特性分析1 1、发电机特性、发电机特性1 1）发电机的速度特性曲线）发电机的速度特性曲线2 2）发电机的功率计算）发电机的功率计算 P=UICOS() P=UICOS()3 3）发电机的选型方法）发电机的选型方法利用柴油机的外特性曲线进行选择利用柴油机的外特性曲线进行选择4 4）推广到相关的轴带设备的选型）推广到相关的轴带设备的选型空压机、液压泵、空压机、液压泵、起网机起网机起网机起网机、冷冻机、冷冻机但均需考虑传递设备的效率问题但均需考虑传递设备的效率问题转速转速r/min功率功率kW燃油消燃油消耗量耗量kg/h燃油消燃油消耗率耗率g/kWh11007715.89202.2130012524.9195.6150019037.3193.7如何选择柴油机的最佳运行转速如何选择柴油机的最佳运行转速1、区分燃油消耗率和燃油消耗量，通过柴油机特性曲线加以分析；2、考虑客户的实际运营状况，航速，航程，单程效益，综合成本；三、应用问题探讨船舶经济航速的选择问题船舶经济航速的选择问题1、万有特性，将功率与燃油耗放在同一曲线中；2、推进特性，导入万有特性中，便于比较在不同转速下的燃油消耗率和燃油消耗量；3、中间转速的概念引入柴油机的最大扭矩值普遍在其60-75%范围内三、应用问题探讨谢谢大家