第七節(jié)  柴油機(jī)與螺旋槳的配合

1．機(jī)槳匹配的基本原則

既使柴油機(jī)的功率得到充分利用，又使柴油機(jī)的功率在全部運(yùn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都不超出允許的范圍。

（1）以主機(jī)標(biāo)定功率配槳

原則上是在柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下使設(shè)計選配的螺旋槳吸收的功率恰好等于柴油機(jī)的標(biāo)定功率NeH(螺旋槳曲線過MCR點(diǎn))如圖9-19所示。螺旋槳與柴油機(jī)的匹配點(diǎn)在柴油機(jī)的標(biāo)定工況(MCR)點(diǎn)a。曲線1即為柴油機(jī)的全負(fù)荷速度特性線。當(dāng)要柴油機(jī)在低于標(biāo)定轉(zhuǎn)速nH的某一轉(zhuǎn)速n2下運(yùn)轉(zhuǎn)時，就減小油門，減少每循環(huán)供油量。曲線2即為相應(yīng)的部分負(fù)荷速度特性線。交點(diǎn)b就是這時柴油機(jī)、螺旋槳的工況點(diǎn)。從圖上看出，這時柴油機(jī)的功率不僅小于標(biāo)定功率NeH，而且小于這個轉(zhuǎn)速下由全負(fù)荷速度特性曲線所限定的功率（對應(yīng)于d點(diǎn)的的功率。這里為了分析簡便，以全負(fù)荷速度特性作為限制特性。）可見，在轉(zhuǎn)速nH到nmin的全部變化范圍內(nèi)，柴油機(jī)的功率都不會超出允許的范圍。在運(yùn)轉(zhuǎn)中還允許柴油機(jī)在高于nH的最大轉(zhuǎn)速nmax下工作。這時需要增加供油量，相應(yīng)于這個供油量的超負(fù)荷速度特性曲線3 與螺旋槳特性曲線相交于C點(diǎn)。這時柴油機(jī)處于超負(fù)荷狀態(tài)，因此只允許柴油機(jī)短時間在這個轉(zhuǎn)速下工作。

（2）螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)對機(jī)槳配合的影響

圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、是三個螺旋槳的特性曲線。螺旋槳Ⅱ配得過重、螺旋槳Ⅲ配得過輕。螺旋槳Ⅰ則匹配正確，其特性曲線正好過標(biāo)定工況點(diǎn)a。曲線1為柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線，旋槳吸收的功率恰好等于柴油機(jī)的標(biāo)定功率。

當(dāng)螺旋槳配得過重時，這時螺旋槳特性曲線Ⅱ與柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線相交于b點(diǎn)，此時盡管油門加大到標(biāo)定位置，但柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速均達(dá)不到標(biāo)定值，而負(fù)荷(pe) 卻已達(dá)到持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的限制值（全負(fù)荷速度特性作為限制特性）。如要讓柴油機(jī)發(fā)出標(biāo)定功率NeH，就需要進(jìn)一步增大供油量，如f點(diǎn)所示。這時負(fù)荷(pe)已超過標(biāo)定值了。如要使柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速nH下工作，如e點(diǎn)所示，就更是超負(fù)荷了?？梢?，當(dāng)螺旋槳配得過重時，要么造成柴油機(jī)超負(fù)荷（這是不允許的），要么柴油機(jī)功率發(fā)不足。柴油機(jī)的能力無法得到充分利用。

當(dāng)螺旋槳配得過輕時，這時螺旋槳的特性曲線Ⅲ與柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線相交于d點(diǎn)，即柴油機(jī)油門推到標(biāo)定位置時就超速了。為了使柴油機(jī)在標(biāo)定的轉(zhuǎn)速nH下工作，只得減少油門，讓它在部分負(fù)荷速度特性曲線4上工作。這時工作點(diǎn)為C點(diǎn)，柴油機(jī)的功率小于標(biāo)定功率NeH，也不能發(fā)足?？梢?，當(dāng)螺旋槳配得過輕時，要么造成柴油機(jī)超轉(zhuǎn)速（這是不允許的），要么柴油機(jī)功率發(fā)不足。柴油機(jī)的能力也無法得到充分利用。

二、外界狀況（船舶阻力）對對機(jī)槳配合的影響

三、選配螺旋槳時的功率儲備

四、系泊工況及航行中的過渡工況

1．系泊工況

船舶在建成或修理后，為了檢驗主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和操縱性能，需要在碼頭上進(jìn)行系泊試驗。在船舶系泊不動的情況下主機(jī)帶著螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)的工況稱為系泊工況。這時船速為零，進(jìn)程比λP為零，圖9-4中的扭矩系數(shù)K2達(dá)到最大值，螺旋槳特性曲線明顯比正常穩(wěn)定航行時陡，如補(bǔ)圖9-3所示。圖中曲線1和2分別為正常穩(wěn)定航行和系泊試驗時的螺旋槳特性曲線。線3為主機(jī)的全負(fù)荷速度特性曲線。船舶正常穩(wěn)定航行時，主機(jī)與螺旋槳配合工作于a點(diǎn)，即在標(biāo)定轉(zhuǎn)速nH下發(fā)出標(biāo)定功率NeH。系泊試驗時，主機(jī)與螺旋槳配合工作于b點(diǎn)，其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速nb和功率Neb均比nH和NeH明顯減小。如系泊試驗時主機(jī)轉(zhuǎn)速大于nb，由補(bǔ)圖9-3中可以看出，主機(jī)就會超負(fù)荷。因此為了保證主機(jī)不致超負(fù)荷，應(yīng)使系泊試驗時的轉(zhuǎn)速不大于nb，若由于缺乏技術(shù)資料而無法確定nb值，則可取0.80～0.85nH作為試驗時的最高轉(zhuǎn)速。系泊試驗時還應(yīng)特別注意排氣溫度。當(dāng)排氣溫度達(dá)到船舶在全速航行時的正常排氣溫度時，就應(yīng)進(jìn)一步降低試驗轉(zhuǎn)速。

2．起航工況

船舶起航時，由于質(zhì)量很大，船速從零緩慢增加。起航瞬時λP為零，然后逐漸增加到正常航行時的值a，因此螺旋槳特性曲線在起航瞬時相當(dāng)陡，如補(bǔ)圖9-4中曲線λP＝0所示，然后隨著航速的逐漸增加而逐漸變緩，直到正常航行時圖中曲線λP＝a的位置。

起航時，如駕駛臺要求的轉(zhuǎn)速為na以上某一轉(zhuǎn)速，由于這時螺旋槳按λP=0工作，如將加油手柄推到相當(dāng)于全負(fù)荷速度特性曲線Ⅰ的油門格數(shù)，主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到na。這時工作點(diǎn)a一般位于等轉(zhuǎn)矩限制線01的上方，使主機(jī)的負(fù)荷超過了限制。怎么避免這種情況呢？由補(bǔ)圖9-4可見，λP=0的螺旋槳特性曲線與轉(zhuǎn)矩限制特性線01相交于b點(diǎn)，只要起航時主機(jī)轉(zhuǎn)速不超過b點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nb，即可保證主機(jī)的轉(zhuǎn)矩在允許的范圍內(nèi)。正確的操作應(yīng)是，推動油門手柄使主機(jī)的起動轉(zhuǎn)速小于或等于nb，待船速增加，螺旋槳特性曲線逐漸變緩，向曲線λP=a靠近，才逐漸加大油門格數(shù)，使轉(zhuǎn)速達(dá)到所要求的值。起動時推動油門手柄過急除了會造成柴油機(jī)機(jī)械負(fù)荷超過限制外，還會使受熱零部件由于溫度突然升高，受到過大的熱應(yīng)力而引起裂紋等故障。此外，如果推動油門手柄過急，每循環(huán)供油量很快就加大，而這時螺旋槳特性線仍較陡，主機(jī)轉(zhuǎn)速較低，渦輪在單位時間內(nèi)獲能次數(shù)較少。再加上增壓器轉(zhuǎn)子有一定慣性，在加速過程中就會出現(xiàn)油多氣少（過量空氣系數(shù)α太?。┑那闆r。致使燃燒不良，熱負(fù)荷過高，出現(xiàn)排氣冒黑煙的現(xiàn)象。

3．加速工況

船舶起航駛離港口后，需要逐漸加速以達(dá)到全速航行。此時，如輪機(jī)員操縱不當(dāng)也會使主機(jī)超負(fù)荷。船舶在較低航速下穩(wěn)定航行時，主機(jī)按部分負(fù)荷速度特性線Ⅰ工作，螺旋槳特性曲線a，配合工作點(diǎn)為1，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)駕駛臺命令全速前進(jìn)時，如果加速過快，立即將油門手柄推至標(biāo)定位置。主機(jī)的工作曲線就由Ⅰ轉(zhuǎn)到全負(fù)荷速度特性曲線Ⅱ。主機(jī)發(fā)出功率增加，螺旋槳轉(zhuǎn)速迅速增加，但由于船的質(zhì)量很大，船速還沒迅速提高，因而λP=VP/(nPD)迅速變小，螺旋槳特性曲線迅速從曲線a變?yōu)榍€b，工作點(diǎn)迅速從1移到2′。此后由于推力大于阻力，船速逐漸提高，螺旋槳特性曲線隨著λP的逐漸加大從曲線b逐漸移向曲線a，工作點(diǎn)則沿著線Ⅱ從2′逐漸移至2，達(dá)到新的平衡。在加速過程中，工作點(diǎn)是沿1-2′-2變化的，其中1-2′過程的時間很短，而2′-2過程是船速逐漸提高的過程，時間相對較長，且位于等轉(zhuǎn)矩線之上。也就是說，在這過程中柴油機(jī)大部分時間是在超機(jī)械負(fù)荷情況下運(yùn)行的。在這種情況下正確的操作是：緩慢加大油門，使主機(jī)的轉(zhuǎn)速差不多與船速 成比例地增大，這樣船舶加速過程中工作點(diǎn)就接近于沿曲線1～2變化，柴油機(jī)就不會超負(fù)荷了。

4．轉(zhuǎn)彎工況

船舶轉(zhuǎn)彎時，舵要偏轉(zhuǎn)一個角度，船體在斜水流中前進(jìn)，船舶阻力有所增加。在相同螺旋槳轉(zhuǎn)速下，船速會降低，進(jìn)程比λP減小，螺旋槳特性曲線變陡。當(dāng)主機(jī)油門固定不變時，船舶在轉(zhuǎn)彎中常發(fā)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速自動降低，當(dāng)轉(zhuǎn)彎過程結(jié)束時，轉(zhuǎn)速又恢復(fù)原來數(shù)值。所以在轉(zhuǎn)彎時，若發(fā)現(xiàn)主機(jī)轉(zhuǎn)速降低，不應(yīng)去加大油門。如果主機(jī)裝全制式調(diào)速器，在此情況下可能自動加油，這時要注意限制噴油量以防止超負(fù)荷。

當(dāng)船舶采用雙螺旋槳推進(jìn)，轉(zhuǎn)彎時，由于船舶橫移和轉(zhuǎn)向，兩個螺旋槳都在斜水流中工作，且水流速度和方向均不相同，從而使兩槳之間的負(fù)荷分配不均，靠近轉(zhuǎn)彎中心的內(nèi)槳負(fù)荷增加要比外槳大，內(nèi)槳的轉(zhuǎn)速因而下降很多。而外槳在轉(zhuǎn)變開始時負(fù)荷變輕，之后又逐漸增加，所以外槳轉(zhuǎn)速開始升高，而后又下降。由此可見，采用雙槳推進(jìn)，當(dāng)船舶轉(zhuǎn)彎時，帶動內(nèi)槳的主機(jī)容易超負(fù)荷?？紤]到這種情況，轉(zhuǎn)彎時應(yīng)該把主機(jī)的轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低些，即應(yīng)在低航速和較小舵角條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操縱。

5．倒車工況

船舶在港內(nèi)航行，靠離碼頭或者遇到避碰等緊急情況時，常需改變主機(jī)的回轉(zhuǎn)方向，使前進(jìn)的船舶迅速停止下來，或改為倒航。補(bǔ)圖9-6所示為主機(jī)倒車換向過程工況的曲線。圖中橫座標(biāo)為轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)。縱座標(biāo)為轉(zhuǎn)矩的百分?jǐn)?shù)。曲線A、B和C分別為船在全速、半速和系泊情況下根據(jù)船模試驗畫出的螺旋槳倒轉(zhuǎn)工況變化曲線。在主機(jī)的全部換向過程中，假定船速沒有變化。

現(xiàn)在來研究船舶全速前進(jìn)時，主機(jī)從正車改為倒車的運(yùn)轉(zhuǎn)情況（圖中曲線A）。原先，主機(jī)和螺旋槳配合工作于標(biāo)定工況點(diǎn)a，在接到倒車命令后，首先停止向主機(jī)供油，主機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，因螺旋槳的進(jìn)程比λP迅速增加，因此轉(zhuǎn)矩迅速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到b點(diǎn)（60～70％nH）時，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩為零。a-b為螺旋槳倒轉(zhuǎn)的第一階段。

在b點(diǎn)以后，由于船仍舊全速前進(jìn)，螺旋槳被水沖擊產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，象水渦輪一樣帶動主機(jī)仍按正車方向回轉(zhuǎn)。此負(fù)轉(zhuǎn)矩為主機(jī)運(yùn)動部件和軸系磨擦損失所消耗，所以轉(zhuǎn)速迅速下降。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速降為30～40％nH時，負(fù)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值（點(diǎn)c）。在點(diǎn)c之后，轉(zhuǎn)速再降低時，由于作用在螺旋槳上的水流偏離了產(chǎn)生最大負(fù)轉(zhuǎn)矩的最佳方向，負(fù)轉(zhuǎn)矩開始逐漸減小。當(dāng)負(fù)轉(zhuǎn)矩下降到與主機(jī)運(yùn)動部件和軸系的磨擦阻力矩相平衡時，螺旋槳就停止轉(zhuǎn)動（點(diǎn)d）。b-c-d為螺旋槳倒轉(zhuǎn)的第二階段，即水渦輪階段。

在d點(diǎn)之后，倒車起動主機(jī)開始倒轉(zhuǎn)（起動力矩必須大于此時螺旋槳的負(fù)轉(zhuǎn)矩）。此后主機(jī)帶動螺旋槳倒車轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生負(fù)的推力，對船舶起著制動作用。但此時船舶仍在全速前進(jìn)，所以當(dāng)?shù)管囖D(zhuǎn)速達(dá)40～60％nH時，軸系承受的轉(zhuǎn)矩已達(dá)極限值MeH。

當(dāng)船半速前進(jìn)而主機(jī)開倒車時，螺旋槳轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系（曲線B）與全速時相似，只是負(fù)轉(zhuǎn)矩值要小。當(dāng)船舶在系泊情況下主機(jī)開倒車時，螺旋槳沒有水渦輪工作階段，因此不出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩（曲線C）。圖中D線為船全速前進(jìn)時實際的螺旋槳倒轉(zhuǎn)工況變化曲線，它已經(jīng)考慮了主機(jī)在制動和換向過程中船速逐漸降低的情況。

必須指出，在主機(jī)換向過程中，一般都存在著螺旋槳的水渦輪工作階段，特別是由“前進(jìn)三”緊急開倒車時，螺旋槳的負(fù)轉(zhuǎn)矩（點(diǎn)c′）較大，如不進(jìn)行倒車制動，只依靠主機(jī)運(yùn)動部件和軸系的磨擦阻力矩來消耗螺旋槳的負(fù)轉(zhuǎn)矩，則必須等船速下降很多之后，槳的負(fù)轉(zhuǎn)矩已較小，并且與磨擦阻力矩相平衡時，軸系才能停轉(zhuǎn)（n=0）。也就是說，圖中曲線D上c′-d′段所需的過渡時間很長，船舶在此期間由于慣性而滑行的距離可能為船長的5～6倍。這么大的滑行距離，對于避碰的緊急情況是危險的。為了使主機(jī)盡快開出倒車，阻止船舶前進(jìn)，必須在轉(zhuǎn)速降至30～40％nH（即出現(xiàn)較大的負(fù)轉(zhuǎn)矩）時，將壓縮空氣送入主機(jī)氣缸進(jìn)行強(qiáng)迫制動，使主機(jī)停轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)進(jìn)而實現(xiàn)倒車起動。為此，在操縱主機(jī)時，在點(diǎn)a停止向主機(jī)供油后，應(yīng)不失時機(jī)地進(jìn)行主機(jī)的換向。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至30～40％nH時，在軸系仍按正車回轉(zhuǎn)的情況下，提前進(jìn)行倒車起動，即強(qiáng)迫制動。在空氣制動過程中，由于點(diǎn)c′的轉(zhuǎn)矩（絕對值）小于主機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)矩MeH，因此軸系不會超負(fù)荷。有時船速太高，利用空氣瓶中現(xiàn)存的壓力不能一次制動成功，為了節(jié)約壓縮空氣，應(yīng)耐心稍等幾秒鐘，待轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降再做第二次制動。關(guān)于各種操縱系統(tǒng)的機(jī)動操縱，詳見后述。

必須注意，在進(jìn)行緊急制動時，船舶仍在前進(jìn)、主機(jī)開出倒車后，當(dāng)轉(zhuǎn)速為40～60％nH時，轉(zhuǎn)矩已達(dá)標(biāo)定值，若轉(zhuǎn)速過高，主機(jī)和軸系就會發(fā)生超負(fù)荷。而且由于船舶伴流方向和柴油機(jī)轉(zhuǎn)向相反，船體可能產(chǎn)生強(qiáng)烈振動。因此，在開出倒車后，應(yīng)讓柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐步提高，且不能過高。

船舶倒航時，由于船舶阻力較正航時為大，而且螺旋槳效率也較低，因此螺旋槳特性曲線較陡。為了保證倒航時主機(jī)不致超負(fù)荷，必須使倒車的最大轉(zhuǎn)速不超過標(biāo)定轉(zhuǎn)速的70～80％。具體轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)排煙溫度來確定。

在一般情況下，當(dāng)船舶全速前進(jìn)時，是不準(zhǔn)緊急倒車的，但在特殊的緊急情況下，船長決意采取緊急倒車措施時，應(yīng)意識到為了船舶安全而可能損傷主機(jī)和軸系，并盡量避免在船速較高時進(jìn)行倒航操作。

補(bǔ)圖9-7為某貨船（32000dwt，8160kW，船長195.8m）實測的倒車工況曲線，該圖表示了在不同船速下，船速、主機(jī)轉(zhuǎn)速和船舶滑行距離的變化情況。當(dāng)船舶在全速航行時，不進(jìn)行倒車制動，只進(jìn)行全速正車－停車操作，從主機(jī)停止供油開始主機(jī)轉(zhuǎn)速n1由125r/min降至0，需時5.1min；船速V1由15kn降至0，需時20min，則船舶滑行距離S1為3150m，約為船長的16倍。如進(jìn)行倒車制動，進(jìn)行全速正車－全速倒車操作，從主機(jī)停止供油開始，船速V2由14kn降為0，需時5.33min，S2為1200m（6倍船長）。滑行的距離和時間明顯下降，如在較低船速下倒航，進(jìn)行半速正車－全速倒車的操作，船舶滑行距離只有700m（3.5倍船長）。

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