船舶動(dòng)力裝置下

第四章船舶推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及其控制

§4-1概述軸系振動(dòng)有：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、回轉(zhuǎn)振動(dòng)（橫振）、縱向振動(dòng)。其中以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主，當(dāng)周期性的交變力矩作用的頻率與自振頻率相同時(shí)，將產(chǎn)生共振。我國“船規(guī)”規(guī)定220kW（300HP）以上的船舶都要申報(bào)扭振計(jì)算書。一、扭振的概述1、軸系扭振的成因及危害軸系本身具有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本特性：彈性與慣性軸系承受不均勻的干擾力矩當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力超過許用值時(shí)，會(huì)對(duì)軸系產(chǎn)生極大的破壞作用。二、船舶規(guī)范三、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本概念1、扭擺有阻尼的強(qiáng)迫振動(dòng)圖示的單質(zhì)量系統(tǒng)，軸只計(jì)柔度，不計(jì)慣量，圓盤只計(jì)慣量，忽略彈性。穩(wěn)太時(shí)S+U+R+T=0慣性力矩彈性力矩阻尼力矩干擾力矩

為自由振動(dòng)時(shí)的解無阻尼時(shí)，即n=0

放大系數(shù)討論：

小結(jié)：1）系統(tǒng)自振頻率僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)2）強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與干擾力矩頻率相同，但由于阻尼存在，共振時(shí)，強(qiáng)迫振動(dòng)的相位落后于干擾力矩相位/2，并產(chǎn)生動(dòng)力放大。3）減振方法：增加阻尼，改變自振頻率及改變干擾力矩。2、雙質(zhì)量系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)兩質(zhì)量均作簡諧振動(dòng)，頻率相同，初相位相等，振幅不同，慣量大的振幅小，慣量小的振幅大，且振動(dòng)方向永遠(yuǎn)相反。振型圖A1A2e12A1A2A3A3e12e23A1A2O單結(jié)雙結(jié)單結(jié)取A1=1，A2=-I1/I2，O為結(jié)點(diǎn)，振幅為0，應(yīng)力最大，雙質(zhì)量只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)。三質(zhì)量系統(tǒng)有兩個(gè)自振頻率，單結(jié)或雙結(jié)，即兩個(gè)結(jié)點(diǎn)。n個(gè)質(zhì)量就有n-1個(gè)振型，n-1個(gè)自振頻率?！?-2推進(jìn)軸系扭振計(jì)算一、推進(jìn)軸系的?；；瓌t：1）以每一曲柄回轉(zhuǎn)平面中心線為單缸運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的集中點(diǎn)2）發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端之后，以具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量部件的中心線作為質(zhì)量的集中點(diǎn)3）對(duì)于軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，當(dāng)軸段較短時(shí)可以忽略或把它平均分配到飛輪和螺旋槳的質(zhì)量上4）齒輪傳動(dòng)時(shí)，把主、從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按傳動(dòng)比合并成一質(zhì)量，落點(diǎn)在主動(dòng)齒輪中心線上5）兩相鄰集中質(zhì)量之間的連接軸，按柔度作為該兩質(zhì)量中心的當(dāng)量軸段長6）軸系中有彈性聯(lián)軸器或氣胎離合器時(shí)，應(yīng)把它們的主、從動(dòng)部分分為兩集中質(zhì)量7）軸系中有液力偶合器時(shí)為界，分成兩個(gè)獨(dú)立的扭振系統(tǒng)8）被發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)械，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的也要作一集中質(zhì)量二、多質(zhì)量系統(tǒng)無阻尼簡諧振動(dòng)計(jì)算應(yīng)力標(biāo)尺實(shí)際應(yīng)力為減少累計(jì)誤差，通常采用無因次計(jì)算。名稱轉(zhuǎn)動(dòng)慣量柔度振幅彈性力矩有因次IKeK,K+1AKn2Uk,,k+1=(AK+1-AK)/

eK,K+1無因次K=IK/ISEK,K+1=

eK,K+1/eSK=AK/AS=ISeSn2K,K+1=eSuK,K+1/AS經(jīng)過無因次變換以后，計(jì)算方程變?yōu)椋?=11,2=112=1-1,2E1,22,3=1,2+223=2-2,3E2,3??????K=K-1-K-1,KEK-1,KK,K+1=K-1,K+KK??????n=n-1-n-1,nEn-1,nn,n+1=n-1,n+nn=0三、軸系扭振的強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算1、干擾力矩及其共振轉(zhuǎn)速柴油機(jī)動(dòng)力裝置，氣體壓力是不均勻的，其所產(chǎn)生的扭矩也在變化，其它部件產(chǎn)生的力矩不均勻性與之相比可不計(jì)。n個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程用矩陣可表示為：設(shè)多缸柴油機(jī)第K個(gè)缸輸出的扭矩為Mg（K）為簡諧系數(shù)，對(duì)二沖程柴油機(jī)=1，2，3，……12,對(duì)四沖程柴油機(jī)=1/2，1，1.5，……10臨界轉(zhuǎn)速nc：共振工況下相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速并不是只有一各。因?yàn)楦蓴_力矩的頻率為，只要=n就會(huì)發(fā)生共振，所以臨界轉(zhuǎn)速通常要指明幾結(jié)幾次。共振時(shí)：=n若此時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為Nn，n=2Nn/60Nn=9.55n只要n=Nn，n就是臨界轉(zhuǎn)速ncn=nmin~nmax

2、干擾力矩所作的功1）單個(gè)干擾力矩所作的功2）多個(gè)干擾力矩所作的功假定各缸壓力相同M1=M2=M3=…..但各缸作用的時(shí)間不同，它取決于發(fā)火順序和發(fā)火間隔角，如果第k個(gè)缸與第一缸的發(fā)火間隔角為1，k，干擾力矩相位差為1，k干擾力矩基本矢量圖特征：1）矢量的個(gè)數(shù)等于氣缸數(shù)2）當(dāng)=qk是為主簡諧，相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為主臨界轉(zhuǎn)速，q為曲柄端面圖上曲柄數(shù)，k=1，2，3……3）>q矢量圖重復(fù)。對(duì)V型機(jī)為V型機(jī)夾角，為左右列同排編號(hào)氣缸發(fā)火間隔角3、用能量法求解強(qiáng)迫振動(dòng)振幅（A1）在進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)假定：1）共振工況是穩(wěn)定的。即干擾力矩輸入的能量全部被阻尼所消耗2）共振工況下，與系統(tǒng)自振頻率不等的各諧次干擾力矩所引起的振幅遠(yuǎn)小于與系統(tǒng)自振頻率相等的那一簡諧干擾力矩所引起的振幅，只考慮=m3）共振時(shí)，引起共振的干擾力矩頻率與系統(tǒng)自振頻率相等，共振振型和對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)自由振動(dòng)振型相似，振幅按比例放大。系統(tǒng)阻尼和阻尼功4、用放大系數(shù)法求解強(qiáng)迫振動(dòng)振幅（A1）對(duì)單質(zhì)量系統(tǒng)m=A1/Ast

在多質(zhì)量系統(tǒng)中，放大系數(shù)m0表示系統(tǒng)在一組具有相同諧次的干擾力矩作用下產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅A1與將干擾力矩的幅值作為靜力矩作用在系統(tǒng)上同一質(zhì)量（第一質(zhì)量）的平衡振幅Ast的比值。靜力矩所作的功=系統(tǒng)的彈性勢能

m0=A1/Ast一個(gè)循環(huán)靜力矩所作的功為彈性勢能第一質(zhì)量的實(shí)際振幅可以比較容易的從實(shí)船中測得，這樣就可以確定放大系數(shù)。根據(jù)實(shí)測資料和經(jīng)驗(yàn)，各部件的放大系數(shù)如212頁表6-7四、非共振計(jì)算假定：1）非共振振型和自由振動(dòng)振型相同

2）只考慮共振時(shí)的某一諧次干擾力矩

3）非共振情況下阻尼作用與共振時(shí)相同§4-3推進(jìn)軸系振動(dòng)的計(jì)算一、簡單回避法劃禁區(qū)（0.8~1.05）ne不能劃禁區(qū)二、調(diào)頻避振法1、改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I通常是改變飛輪的重量，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，系統(tǒng)自振頻率下降并使結(jié)點(diǎn)向飛輪靠攏，槳振幅加大，槳阻尼大，消耗功大。要考慮雙結(jié)頻率的改變。2、改變系統(tǒng)柔度1）改變軸系長度，增加長度NI下降2）加裝彈性聯(lián)軸器3）增大軸直徑3、選定適當(dāng)?shù)穆菪龢獞T量三、增加系統(tǒng)阻尼在系統(tǒng)中裝阻尼減振器某四沖程五缸柴油機(jī)（1-5-2-3-4-1）軸系模型圖如下，物理參數(shù)如表，nmin=40，nmax=105序號(hào)1234~789101112轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kgm25.981.081.042.9132.91351.4630.61.1153.944扭轉(zhuǎn)剛度NmX10-58.2392.2150112.78169.660.50.550.29求：1），并畫出相應(yīng)的振型圖2）臨界轉(zhuǎn)速及及其對(duì)應(yīng)的，并畫出矢量圖3）工作范圍內(nèi)是否存在主簡諧。W1=11.40,w2=51.47,w3=65.94,w4=107.69第五章推進(jìn)裝置工況配合特性

§5-1概述

發(fā)動(dòng)機(jī)：加入燃料，輸出扭矩傳動(dòng)設(shè)備：輸入扭矩，輸出扭矩推進(jìn)器：輸入扭矩，輸出推力推進(jìn)裝置在能量支配下的共同配合工作所反映出來的特性稱推進(jìn)裝置工作特性，即船漿機(jī)配合各種特性。當(dāng)船舶等速直線航行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳之間參數(shù)關(guān)系：1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne和螺旋槳轉(zhuǎn)速np:ne/i=np2)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩Me

減去傳動(dòng)設(shè)備損耗的扭矩MT，等于克服螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩:Me·i-MT=Mp3）發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe與螺旋槳吸收功率Pp：Pe·c=Pp螺旋槳與船體之間：1)螺旋槳進(jìn)速p等于船速s與流體速度之差：p=s-u=s(1-)2）螺旋槳推力Te等于船體阻力R：Te=T(1-t)=R3）螺旋槳吸收功率Pp與克服船體阻力所需功率PRPp·prs=PT·

s=Pp·

t=PR§5-2船、槳、機(jī)的主要工作特性一、柴油機(jī)的工作特性MCR：柴油機(jī)長期持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大功率二、螺旋槳的推進(jìn)特性1、螺旋槳的基本特性討論：1）p，如柴油機(jī)突然加速，由于慣性，船舶航速來不及上升，或船舶突遇風(fēng)浪，阻力增加R

，p

KT,KM

T,MpMe2)p,如空載，輕載或順?biāo)甊

p

KT,KMT,Mp

Me3）p=0,p=0系泊工況，KT,KM最大，T,Mp最大，為防止柴油機(jī)超負(fù)荷，要求ne75%nH，這時(shí)p=0。p的變化反映了螺旋槳負(fù)荷的變化，也就是船舶推進(jìn)裝置外界負(fù)荷的變化。2、螺旋槳推進(jìn)特性1）穩(wěn)定工況時(shí)2）工況發(fā)生變化達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，p穩(wěn)定在新的值C1,C2,C同時(shí)變化為新值。3)槳參數(shù)D，H三、船體阻力特性形式：摩擦阻力、興波阻力、旋渦阻力船速低時(shí)，以摩擦阻力為主，船速高時(shí)，興波阻力為主§5-3推進(jìn)裝置在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)工況的匹配一、配合統(tǒng)一坐標(biāo)穩(wěn)態(tài)時(shí)，有效推力這樣，只要調(diào)整比例尺，就可以將p,np,ne重疊在一個(gè)坐標(biāo)圖中的橫坐標(biāo)，Pe,Pp,PR重疊在一個(gè)縱坐標(biāo)，而船體的阻力（或阻功率）與螺旋槳的推力（或推功率）可以相互轉(zhuǎn)換，船槳機(jī)的配合就轉(zhuǎn)化為機(jī)槳配合問題。二、配合的基本原則1、配合前的處理原則：1）帶傳動(dòng)齒輪箱將扭矩乘以傳動(dòng)比，轉(zhuǎn)速除以傳動(dòng)比，再與槳配合2）軸帶負(fù)荷：先將負(fù)荷疊加成單一負(fù)荷3）多機(jī)并車：動(dòng)力疊加成單一動(dòng)力特性2、設(shè)計(jì)匹配點(diǎn)選擇基本原則：主機(jī)發(fā)出額定功率，槳的效率最高。三、配合選擇時(shí)要注意的問題1、主機(jī)功率使用范圍2、主機(jī)功率儲(chǔ)備1）海況儲(chǔ)備：功率儲(chǔ)備10—15%，轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備3.5—5%2）主機(jī)能力儲(chǔ)備考慮到主機(jī)使用一定時(shí)間后，性能有所下降，選配時(shí)，增大主機(jī)能力。3、主機(jī)減功率輸出（DMCR）

目的：降低油耗率，提高經(jīng)濟(jì)性四、無因次參數(shù)配合§5-4船舶典型推進(jìn)裝置

穩(wěn)態(tài)配合及工作特性一、單機(jī)單槳1、設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的匹配特性2、部分負(fù)荷工況：船體外界和裝載負(fù)荷不變，由于航行要求降低航速時(shí)的工況。剩余功率：部分負(fù)荷時(shí)。主機(jī)所能發(fā)出的功率與螺旋槳所需功率之差。0.5770.38493、軸帶負(fù)荷工況若軸帶負(fù)荷不超過3%的主機(jī)功率，不會(huì)對(duì)主機(jī)容量的選配產(chǎn)生影響4、雙速比傳動(dòng)配合特性以自航為設(shè)計(jì)工況以拖曳為設(shè)計(jì)工況單速比單速比時(shí)，以自航為設(shè)計(jì)工況拖曳時(shí)，主機(jī)不能發(fā)出全功率，以拖曳為設(shè)計(jì)工況自航時(shí)主機(jī)不能發(fā)出全功率。采用雙速比：自航時(shí)用一速比，拖曳時(shí)用另一速比，圖4-34中A點(diǎn)和主機(jī)都運(yùn)行在額定點(diǎn)。如果是多速比，主機(jī)額定運(yùn)行點(diǎn)將會(huì)是多個(gè)。但齒輪箱將會(huì)變的復(fù)雜。二、多機(jī)并車推進(jìn)裝置優(yōu)點(diǎn)：1）經(jīng)濟(jì)性好：剩余功率小，耗油率低2）主機(jī)維修方便3）機(jī)動(dòng)性好4）操作性好三、多機(jī)多槳推進(jìn)裝置一槳工作時(shí)，兩只槳為拖航，雙槳工作時(shí)，一只槳為拖航，使實(shí)際槳特性變?yōu)閳D中虛線位置。優(yōu)點(diǎn)：1）剩余功率小，經(jīng)濟(jì)性好2）機(jī)動(dòng)性好四、調(diào)距槳推進(jìn)裝置1）在任何航行工況下主機(jī)均能發(fā)出額定功率2）在部分負(fù)荷下可獲得轉(zhuǎn)速ne及H/D的最佳匹配經(jīng)濟(jì)性最好的ne和H/D匹配為gemin對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速ne和pmax對(duì)應(yīng)的H/D的匹配3)主機(jī)轉(zhuǎn)速不變，則改變H/D可獲得不同的航速，可以使船舶微速航行或倒航第六章柴油機(jī)動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性

§6-1概述一、定義動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性指船舶動(dòng)力裝置在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，年運(yùn)量與營運(yùn)開支之比。營運(yùn)開支：動(dòng)力裝置折舊費(fèi)，燃油、滑油費(fèi)用，工資、維修費(fèi)等二、柴油機(jī)動(dòng)力裝置的熱平衡及效率1、熱線圖：反映動(dòng)力裝置主要機(jī)械設(shè)備能量產(chǎn)生及分配圖2、熱平衡輸入動(dòng)力裝置能量=機(jī)械功當(dāng)量+電功當(dāng)量電+蒸汽熱當(dāng)量+排氣熱量+冷卻熱量+其它3、熱效率4、提高動(dòng)力裝置有效熱效率的方法1）提高主機(jī)熱效率2）提高推進(jìn)效率3）選用高效率的輔助機(jī)械幾采用廢熱回收提高附加效率4）改變船舶的操縱。實(shí)行經(jīng)濟(jì)航行。經(jīng)濟(jì)航速并非船舶最大盈利航速?！?-2提高裝置推進(jìn)效率推進(jìn)系數(shù)Ct=cprs其中影響最大的是p提高推進(jìn)效率的措施1）采用大直徑螺旋槳2）采用導(dǎo)管螺旋槳3）采用先進(jìn)的船形設(shè)計(jì)，提高船身效率4）合理的船、機(jī)、槳匹配一、采用低速大直徑螺旋槳理想螺旋槳效率推力載荷系數(shù)D，A，T，vs不變時(shí)，Tp1二、合理的船機(jī)槳匹配許多柴油機(jī)有減功率輸出，可以降低油耗率，提高積極性。步驟：1）由船舶初步設(shè)計(jì)確定的Dp，np及H/D的主機(jī)常用功率CSRMCR（CSR/0.9）2）繪制等船速功率曲線圖功率減額系數(shù)與船型有關(guān)3）繪制待選主機(jī)的減額功率輸出區(qū)4）確定DMCR原則：a）np,p,經(jīng)濟(jì)性好，但受Dmax限制

b)np

,ne

,g