CN111377045B - 带定距桨的船用柴油机负荷限制方法 - Google Patents

Abstract

提供一种带定距桨的船用柴油机负荷限制方法，根据船舶运行期间可接受的柴油机最大运行功率情况，制定柴油机最大运行功率对应的齿条格数与出厂时各工况下的齿条格数的修正系数，确定负荷限制线，通过负荷限制线限制柴油机最大运行转速，使船机桨效率下降后柴油机不超出设定的负荷限制线运行，提高柴油机的寿命。

Description

带定距桨的船用柴油机负荷限制方法

技术领域

本发明属于柴油机技术领域，具体涉及一种带定距桨的船用柴油机负荷限制方法。

背景技术

带定距桨FPP的船用柴油机，其运行时柴油机功率与转速的三次方成正比，负荷与转速的二次方成正比，为防止柴油机持续运行期间超负荷，同时考虑船舶长期运行后，船污底，船机桨效率下降等因素，船舶设计时会留有一定的功率储备。船舶长时间运行后，船机桨效率下降，此时在船舶推进螺旋桨特性线会超过标准螺旋桨特性线，如图1所示，当柴油机运行转速在X％以上点工作时，柴油机负荷将超过100％扭矩线，但尚未超出按短时功率运行的负荷限制线，此时不会触发负荷限制报警，这样将出现柴油机在X％转速以上长时间超过100％负荷以上运行的情况。这种情况下柴油机承受较大的机械负荷及热负荷，导致活塞、连杆等零件寿命降低。如某型柴油机活塞维修周期为12000h，额定转速1000rpm，但在船舶运行4000小时检修时，柴油机盘车发生轻微卡滞，扩大检查发现近半数活塞裙存在裂纹。排查发现该船柴油机长期在960rpm转速下工作，对轴功率复测发现扭矩已超过标准桨扭矩的20％，存在严重的超扭矩运行问题，但未触发负荷限制线，这对柴油机来说是致命的，因此，针对上述问题，有必要进行改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种带定距桨的船用柴油机负荷限制方法，根据船舶运行期间可接受的柴油机最大运行功率情况，制定柴油机最大运行功率对应的齿条格数与出厂时各工况下的齿条格数的修正系数，确定负荷限制线，通过负荷限制线限制柴油机最大运行转速，使船机桨效率下降后柴油机不超出设定的负荷限制线运行，提高柴油机的寿命。

本发明采用的技术方案：带定距桨的船用柴油机负荷限制方法，包括以下步骤：

1)在功率和转速的函数关系图中，分别确定标准螺旋桨特性线、新船螺旋桨特性区域和100％扭矩线；

2)设额定转速百分数为X点处对应的转速为n_x，额定转速百分数为X点在100％扭矩线上对应于额定功率百分数处的功率为P_max，并设定100％扭矩线上额定转速百分数为X处对应的功率P_max与转速n_x的比值等于100％额定转速下功率P_100％与转速n_100％的比值，具体如下：

P_max:P_100％＝n_x:n_100％

上式中，额定功率P_100％与额定转速n_100％均为已知量；

3)额定转速百分数为X点处对应于标准螺旋桨特性线上的功率为P_标，根据标准螺旋桨的功率与转速的三次方成正比的特点，并结合步骤2)得出：

上式中，已知量P_标为客户对标准螺旋桨功率的期望值，因此，计算确定n_x后，根据步骤2)可得出100％扭矩线上额定转速百分数为X处对应的功率P_max；

4)根据100％扭矩线上额定转速百分数X处对应的功率P_max与客户对标准螺旋桨功率的期望值P_标确定负荷限制线,具体关系式如下：

其中，L为功率限制比例；

5)由于柴油机燃料燃烧转换为机械功的效率在经济功率以上运行时变化不大，柴油机功率近似正比于燃油齿条格数，由此，可按出厂时柴油机的标准螺旋桨测得的齿条格数M_标，推算出100％扭矩线上额定转速百分数为X点处的齿条格数M_x，从而在转速不变的前提下，通过调节齿条格数M_x实现功率P_max的调节，具体推导公式如下：

M_x:M_标＝P_max:P_标＝L；

6)根据带定距桨的船用柴油机长期运行后各转速对应的功率值与标准螺旋桨特性线上对应的功率值成线性比例关系的特点，按M_x:M_标＝P_max:P_标的等比例关系确定额定转速百分数为X点以下各点的齿条格数与出厂时测量值的限制值，从而确定出长期运行后螺旋桨特性线。

上述步骤1)中，所述标准螺旋桨特性线由以下函数确定：

上式中，P_A为标准螺旋桨的功率，n_A为标准螺旋桨的转速，k_A为比例因子，

为标准螺旋桨的额定功率；

所述新船螺旋桨特性区域是在新船螺旋桨特性线的基础上增加10％～20％的预留量后形成的区域，根据新船螺旋桨特性线的计算公式，具体确定函数如下：

上式中，P_B为新船螺旋桨的功率，n_B为新船螺旋桨的转速，k_B为比例因子,其中，k_B＝k_A(1-c)，c为预留裕度，且c的范围为10％～20％，

为新船螺旋桨的额定功率；

所述100％扭矩线由以下函数确定：

N＝9550P_额/n_额，

上式中，N为柴油机额定功率和额定转速下的扭矩，运行扭矩，P_额为柴油机的额定功率，n_额为柴油机的额定转速。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本技术方案根据船舶运行期间可接受的柴油机最大运行功率情况，制定柴油机最大运行功率对应的齿条格数与出厂时各工况下的齿条格数的修正系数，确定负荷限制线，通过负荷限制线限制柴油机最大运行转速，使船机桨效率下降后柴油机不超出设定的负荷限制线运行，提高柴油机的寿命；

2、本技术方案通过确定负荷限制线确保了带定距桨船用柴油机运行期间负荷控制在100％扭矩以下，同时，提供了船机桨效率下降后，柴油机安全运行的调节方法，降低柴油机故障；

3、本技术方案运行方法简单可靠，柴油机的最大运行功率调控方便，可有效确保确保柴油机不在100％负荷以上长期运行，保证柴油机安全运行。

附图说明

图1为本发明额定功率百分数和额定转速百分数的函数关系图。

具体实施方式

下面结合附图1描述本发明的一种实施例，从而对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

带定距桨的船用柴油机负荷限制方法，包括以下步骤：

1)在功率和转速的函数关系图中，分别确定标准螺旋桨特性线1、新船螺旋桨特性区域2和100％扭矩线3；具体的，所述标准螺旋桨特性线1由以下函数确定：

上式中，P_A为标准螺旋桨的功率，n_A为标准螺旋桨的转速，k_A为比例因子，

为标准螺旋桨的额定功率；

所述新船螺旋桨特性区域2是在新船螺旋桨特性线6的基础上增加10％～20％的预留量后形成的区域，根据新船螺旋桨特性线6的计算公式，具体确定函数如下：

上式中，P_B为新船螺旋桨的功率，n_B为新船螺旋桨的转速，k_B为比例因子,其中，k_B＝k_A(1-c)，c为预留裕度，且c的范围为10％～20％，

为新船螺旋桨的额定功率；

所述100％扭矩线3由以下函数确定：

N＝9550P_额/n_额，

上式中，N为柴油机额定功率和额定转速下的扭矩，运行扭矩，P_额为柴油机的额定功率，n_额为柴油机的额定转速。

2)设额定转速百分数为X点处对应的转速为n_x，额定转速百分数为X点在100％扭矩线3上对应于额定功率百分数处的功率为P_max，并设定100％扭矩线3上额定转速百分数为X处对应的功率P_max与转速n_x的比值等于100％额定转速下功率P_100％与转速n_100％的比值，具体如下：

P_max:P_100％＝n_x:n_100％

上式中，额定功率P_100％与额定转速n_100％均为已知量；

3)额定转速百分数为X点处对应于标准螺旋桨特性线1上的功率为P_标，根据标准螺旋桨的功率与转速的三次方成正比的特点，并结合步骤2)得出：

上式中，已知量P_标为客户对标准螺旋桨功率的期望值，因此，计算确定n_x后，根据步骤2)可得出100％扭矩线3上额定转速百分数为X处对应的功率P_max；

4)根据100％扭矩线3上额定转速百分数X处对应的功率P_max与客户对标准螺旋桨功率的期望值P_标确定负荷限制线4,具体关系式如下：

其中，L为功率限制比例；

5)由于柴油机燃料燃烧转换为机械功的效率在经济功率以上运行时变化不大，柴油机功率近似正比于燃油齿条格数，由此，可按出厂时柴油机的标准螺旋桨测得的齿条格数M_标，推算出100％扭矩线3上额定转速百分数为X点处的齿条格数M_x，从而在转速不变的前提下，通过调节齿条格数M_x实现功率P_max的调节，具体推导公式如下：

M_x:M_标＝P_max:P_标＝L；

6)根据带定距桨的船用柴油机长期运行后各转速对应的功率值与标准螺旋桨特性线1上对应的功率值成线性比例关系的特点，按M_x:M_标＝P_max:P_标的等比例关系确定额定转速百分数为X点以下各点的齿条格数与出厂时测量值的限制值，从而确定出长期运行后螺旋桨特性线5。

柴油机长期运行后螺旋桨特性线5是根据负荷限制线4确定的，使相同转速长时间运行后的螺旋桨特性线5上的功率小于负荷限制线4上的功率即可。

根据以上运算过程，以额定转速为1000rpm的柴油机为例，该机用户期望柴油机至少能发出额定功率的85％，标准螺旋桨的功率与转速的三次方成正比的特点，也即标准螺旋桨的功率百分数与转速百分数的三次方成正比的特点，

n_x≈950，X＝0.95，为保证额定转速95％以下各点负荷均不超过100％扭矩，各点限制齿条格数与出厂试验时齿条格数比值L＝95:85＝110.5％，按10％增量对出厂转速值进行设置，对与额定转速95％以上各点处的转速对应的限制齿条格数，则按额定功率95％转速下，出厂齿条格数的110％与额定转速下的齿条格数连线进行确定，从而得出柴油机出厂试验各转速下的负荷限制油门，如表1所示

表1出厂转速对应的负荷限制值

A061212004

A061212005

由此可拟合出负荷限制曲线。

本技术方案根据船舶运行期间可接受的柴油机最大运行功率情况，制定柴油机最大运行功率对应的齿条格数与出厂时各工况下的齿条格数的修正系数，确定负荷限制线4，通过负荷限制线4限制柴油机最大运行转速，使船机桨效率下降后柴油机不超出设定的负荷限制线4运行，提高柴油机的寿命，通过确定负荷限制线4确保了带定距桨船用柴油机运行期间负荷控制在100％扭矩以下，同时，提供了船机桨效率下降后，柴油机安全运行的调节方法，降低柴油机故障，运行方法简单可靠，柴油机的最大运行功率调控方便，可有效确保确保柴油机不在100％负荷以上长期运行，保证柴油机安全运行。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (2)

1.带定距桨的船用柴油机负荷限制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在功率和转速的函数关系图中，分别确定标准螺旋桨特性线(1)、新船螺旋桨特性区域(2)和100％扭矩线(3)；

2)设额定转速百分数为X点处对应的转速为n_x，额定转速百分数为X点在100％扭矩线(3)上对应于额定功率百分数处的功率为P_max，并设定100％扭矩线(3)上额定转速百分数为X处对应的功率P_max与转速n_x的比值等于100％额定转速下功率P_100％与转速n_100％的比值，具体如下：

P_max:P_100％＝n_x:n_100％

上式中，额定功率P_100％与额定转速n_100％均为已知量；

3)额定转速百分数为X点处对应于标准螺旋桨特性线(1)上的功率为P_标，根据标准螺旋桨的功率与转速的三次方成正比的特点，并结合步骤2)得出：

上式中，已知量P_标为客户对标准螺旋桨功率的期望值，因此，计算确定n_x后，根据步骤2)可得出100％扭矩线(3)上额定转速百分数为X处对应的功率P_max；

4)根据100％扭矩线(3)上额定转速百分数X处对应的功率P_max与客户对标准螺旋桨功率的期望值P_标确定负荷限制线(4),具体关系式如下：

其中，L为功率限制比例；

5)由于柴油机燃料燃烧转换为机械功的效率在经济功率以上运行时变化不大，柴油机功率近似正比于燃油齿条格数，由此，可按出厂时柴油机的标准螺旋桨测得的齿条格数M_标，推算出100％扭矩线(3)上额定转速百分数为X点处的齿条格数M_x，从而在转速不变的前提下，通过调节齿条格数M_x实现功率P_max的调节，具体推导公式如下：

M_x:M_标＝P_max:P_标＝L；

6)根据带定距桨的船用柴油机长期运行后各转速对应的功率值与标准螺旋桨特性线(1)上对应的功率值成线性比例关系的特点，按M_x:M_标＝P_max:P_标的等比例关系确定额定转速百分数为X点以下各点的齿条格数与出厂时测量值的限制值，从而确定出长期运行后螺旋桨特性线(5)。

2.根据权利要求1所述的带定距桨的船用柴油机负荷限制方法，其特征在于：上述步骤1)中，所述标准螺旋桨特性线(1)由以下函数确定：

上式中，P_A为标准螺旋桨的功率，n_A为标准螺旋桨的转速，k_A为比例因子，

为标准螺旋桨的额定功率；

所述新船螺旋桨特性区域(2)是在新船螺旋桨特性线(6)的基础上增加10％～20％的预留量后形成的区域，根据新船螺旋桨特性线(6)的计算公式，具体确定函数如下：

上式中，P_B为新船螺旋桨的功率，n_B为新船螺旋桨的转速，k_B为比例因子,其中，k_B＝k_A(1-c)，c为预留裕度，且c的范围为10％～20％，

为新船螺旋桨的额定功率；

所述100％扭矩线(3)由以下函数确定：

N＝9550P_额/n_额，

上式中，N为柴油机额定功率和额定转速下的扭矩，运行扭矩，P_额为柴油机的额定功率，n_额为柴油机的额定转速。

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