柴油机特性(2)

第七章 柴油机特性 217 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，vp/np基本不变，λp、KF、Km皆可视为常数。这样，推力和转矩公式可写成?

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Ｆp=Ｃ1np Ｍp=C2np?

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

3

Pp＝Ｃnp (kW)

上式反映出螺旋桨运转特性，即桨的吸收功率Pp

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与转速的三次方成正比。将Ｍp=C2np和Pp＝Ｃnp

图7-4螺旋桨水动力特性

绘成Mp－np和Pp-np的关系曲线即为螺旋桨特性曲

线，如图7-5所示。实际上，船舶的工况常常是变化的，在各个不同的航行条件下对应不同λp值。当λp值不同时，同一转速下螺旋桨的转矩和吸收功率也相应有不同的值。图7-6示出在各种不同航行条件下螺旋桨功率与转速的关系曲线。在图中可看出随着航行阻力的增加(λp减小)，螺旋桨特性线变陡。

图7-5螺旋桨特性曲线图 7-6不同λp时的螺旋桨特性曲线

因为螺旋桨所需的功率与转速的三次方成正比，主机带动螺旋桨工作就必须满足螺旋桨的功率要求。如前所述，不计传动损失螺旋桨的吸收功率就等于主机功率。这样，主机功率

3

Pe与转速也是三次方关系，Ｐe= Pp＝Ｃnp（kW)

柴油机按照螺旋桨特性工作时，各性能指标和工作参数随转速(或负荷)变化的规律，称为柴油机的推进特性。

3

柴油机推进特性是根据Pe=Ｃnp关系，在试验台上测定的。测定推进特性时，预先计算出柴油机在各转速下的功率值，根据这些数据将柴油机调节在推进特性的各相应的转速和功率点下运行，逐点测量柴油机的最高爆发压力、压缩压力、增压压力、涡轮前后排气温度、涡轮转速、平均有效压力、有效油耗率等技术数据。然后以转速为横坐标，以上述各数据为纵坐标绘制成曲线，即柴油机推进特性曲线。该曲线对轮机员科学管理柴油机工作有极大的实用价值。

图7-7为Sulzer 6RTA48二冲程低速船用柴油机的推进特性曲线。图中绘制了柴油机最大燃烧压力pmax、压缩压力pc、扫气压力ps、废气涡轮前后排烟温度Tbt和Tat、有效油耗率be随转速(负荷)变化的规律。该机标定转速为154r/min，功率为6 543kW。在图中可方便地查出柴油机按螺旋桨特性工作时对应各种转速下的各项数据。同时图中还标绘出对应各转速下的油门刻度pos。图7-8为?MAN B&W6L50MC柴油机推进曲线。其横坐标为功率。在图中可看出增压器转速nT、柴油机转速nc、最大燃烧压力pmax、压缩压力pc、排气温度Texh、扫气压力

218 船舶柴油机 ps、有效油耗率be(ge)和油泵供油刻度pos随功率变化的规律。

图7-7 Sulzer 6RTA48柴油机推进特性

四、柴油机的限制特性

在柴油机运转中，如果因某个零件或部件发生故障而停车，必然危及船舶的航行安全，所以，在柴油机设计、制造、操纵和管理中都必须考虑柴油机工作的可靠性和寿命，对柴油机工作时的机械负荷和热负荷都加以必要的限制。既要防止超功率也要防止超扭矩，既要防止超转速，也要防止超温度。实现上述限制的理论手段即为柴油机的限制特性。

柴油机的限制特性是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。它是速度特性的一种。柴油机按限 制特性工作时，不同转速下喷油泵的每循环供油量需要根据限制条件作相应的调整。

现代船舶柴油机随着增压度不断提高，其机械负荷和热负荷已接近可靠工作所允许的极限。因此，用限制特性来限制柴油机在各种运转条件下的负荷显得尤其重要。

按照柴油机的类型不同，在确定其运转功率范围时，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

作为船用主机的柴油机常以转矩作为限制参数来建立等转矩限制特性。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。对一台柴油机，其曲轴在工作时所产生的扭应力主要决定于它所传递的转矩Me，在设计曲轴时是以柴油机标定工况下的转矩作为依据的。因此，为了使曲轴不会因扭应力超过设计时的许用应力而导致损坏，就必须使柴油机在各种转速下的Me都不超过Mb。

在柴油机各种转速下如果Me＝Ｍb，根据Me＝９５５０Ｐe/n和Mb=9550Pb/nb，有

第七章 柴油机特性 219 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。图7-9直线2即为等转矩限制特性曲线。

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。

图7-8 MAN B&W 6L50MC柴油机推进特性

2?等排气温度限制特性

现代船用主柴油机增压度都比较高，在其限制特性中都考虑了对热负荷的限制。柴油机的热负荷与其工作时的过量空气系数α有直接关系，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α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。

然而，柴油机在实际运转中的α值不仅难以测定，而且在整个运转转速范围里保持不变也是相当困难的。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。

图7-9 柴油机的限制特性

所以，实际是采用平均排气温度tr代替α和tm来表

1-等排气温度限制特性；２-等转矩限制特性；

示柴油机的热负荷。tr可方便地用普通的仪表测出。

３-限制特性

它虽不能直接确定柴油机热负荷的数值，但在一定

220 船舶柴油机 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7-9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7-9折线3即为限制特性曲线。

第三节 柴油机的选型区域和使用范围

一、柴油主机的选型区域

主推进装置是船舶的核心，而主推进装置中最重要的设备就是主机。目前绝大多数主机为柴油机，主机工作的好坏不仅取决于主机本身的性能，同时也与船舶设计部门及船东如何选择和使用有密切关系。如果选择和使用不当，即使是一台性能良好的主机，也会造成寿命缩短、事故频繁、经常停航修理等一系列问题，所以在主机选型时，除了使主机满足船舶在试航时船速的要求外，还要考虑在使用一段时间后机器性能下降、船体变脏、螺旋桨结垢的情况下主机和螺旋桨的配合情况，同时也要考虑船舶遇到恶劣气象、复杂海况及不同水域时的适应特性。

总的来说，主机选型应考虑柴油机性能方面的优化及船舶在整个使用期内的主要运行工况。

每种型号的船用柴油主机都有其选型区域(layout diagram)，区域内任何一工况点都可被选为约定最大持续功率（CMCR或SMCR）。所谓约定最大持续功率，是指由船东和厂方商定的在船上实际使用的最大功率。约定最大持续功率确定后，便可确定柴油机的允许运行范围。

约定最大持续功率的确定需要考虑各种因素，如推进功率、螺旋桨效率、航行的机动性、功率和转速储备、是否有轴带发电机以及船舶的营运方式等。

近年来，MAN Ｂ&W和W?rtsil?公司两个主要的船用柴油机公司都提供了柴油机的选型区域，两家公司的内容基本相同。W?rtsil?公司推出的Sulzer RTA系列柴油机的选型区域是由R１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４四个点的连线所围成的，如图7-10(a)所示，其中R１为柴油机的最大持续功率（MCR，即标定功率）点，R２为100%标定转速与55%标定功率的交点，R３为72%标定转速与100%标定平均有效压力线的交点，R４为72%标定转速与55%标定功率线的交点。ＭＡＮ Ｂ&W公司的ＭＣ系列柴油机的选型区域是由两条等平均有效压力线L１—L３

（１００％pb）和L２－L４(80%pb)和两条等转速线L１—Ｌ2(100%nb)和L３—Ｌ４（７５％nb）组成的。如图7-10(b)所示，在整个工作区内，柴油机的最高燃烧压力是相同的。

柴油机在上述区域内，可以由船东和厂方商定在船上实际使用的最大持续功率。由于所选定工作点的功率和转速往往低于柴油机的标定功率和转速，也称为柴油机的减额输出，所选定工作点的功率称为约定最大持续功率(SMCR或CMCR)。采用约定最大持续功率，实际上是在寻求船—机—桨三方面经济效益最佳的匹配。这是一个牵扯面很广的问题，需要考虑到柴油机的燃油消耗率，给定船速所需的最小推进动力，船体形状和螺旋桨效率等问题。一般来说，选取的工作点越靠下，柴油机平均有效压力越下降。会使pz/pe提高，柴油机的燃油消耗量下降；工作点越往左，柴油机转速下降，螺旋桨效率提高，而这些是以柴油机动力性为代价的。对于同样的功率的装置所需发动机缸数要增加，桨的直径和船舶吃水也要增加。

约定最大持续功率的确定是由螺旋桨设计点(PD)和功率储备两方面来确定的，见图７-10(b)。螺旋桨设计点是根据船舶所需的螺旋桨转速和功率通过理论计算和水池试验得到的。功率储备主要包括船体工作储备和发动机工作储备。船体工作储备是考虑到污底、海面风浪的影响需要发动机提供更大的功率，这样螺旋桨特性曲线由轻负荷线⑥左移至重负荷线②，相对设计点PD点有约15%的船体工作储备和2.5%～５％转速储备。此时对应的工作点为持续

第七章 柴油机特性 221

图7-10柴油机的选型区域

营运功率SP，再加上约10%的发动机工作储备，其工作点(MP)即为约定最大持续运转功率。图中HR——重负荷运转，LR——轻负荷运转。

为了满足IMO-2000排放规范，某些型号柴油机（如Sulzer-RTA系列的某些机型）的选型区域的下半部已经减小。由于柴油机的约定最大持续功率点一般都选定在R1-R3连线附近，因此这一变动不会有什么负面影响。

约定最大持续功率确定后，选型区域图将用于确定柴油机的运行区域、燃油消耗率、排气流量和排气温度、燃油喷射参数、废气涡轮增压器及增压空气冷却器的规格等。 二、功率储备

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。但柴油机在实际运转时与试验时环境条件不同。另外，在实际运转中还需要考虑可能引起柴油机超负荷的各种因素(如船舶污底、海面风浪、航区变化等)。而且，柴油机由于长期使用逐渐变旧造成可发出的最大功率降低。所以，往往都是在低于柴油机标定功率以下某个功率图7-11 功率储备

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