CN1246577C - 具有轴系的七缸二冲程十字头式发动机 - Google Patents

Abstract

一种具有轴系的七缸二冲程十字头式发动机(1)，该轴系包括一个通过至少一个螺旋桨轴(3)直接连接到轮船的螺旋桨(4)的曲轴(2)。该轴系的2节点(k)扭转振动固有频率的范围为8.5到12.0倍的MCR，MCR为发动机在满负载下的转速。

Description

具有轴系的七缸二冲程十字头式发动机

技术领域

本发明涉及一种具有轴系的七缸二冲程十字头式发动机，该轴系包括一个通过至少一个螺旋桨轴直接连接到轮船的螺旋桨的曲轴。

背景技术

曲轴和螺旋桨之间的直接连接意味着中间轴连接没有齿轮，并意味着螺旋桨的转速与曲轴一样。所述中间轴连接具有一个通过船体中的艉轴管穿出的螺旋桨轴，还可能有一个或多个中间轴，这取决于发动机和螺旋桨轴之间的距离。

对于轴系和发动机来说，发动机的曲轴都是基本部件。但问题在于，曲轴的优化设计从发动机的角度和从轴系的角度来看是相互矛盾的。在七缸二冲程推进发动机中，这个问题尤其显著。因为，从发动机的角度来说，曲轴应当具有较小的质量；而轴系通常需要使曲轴具有较大的质量惯性矩。

发明内容

本发明的一个目的是提供对该经典问题的一种新的解决方案。

为此，本发明的发动机的特征在于，轴系的2节点扭转振动固有频率的范围为8.5到12.0倍的MCR，MCR(最大连续额定功率，maximum continuous rating)为发动机在满负载下的转速。

对于任何特定的发动机尺寸，发动机的MCR对于发动机的输出来说都是很重要的，这在发动机的早期设计中就知道，对于汽缸的内径、冲程和平均压力来说也是如此。具有上述范围的2节点扭转振动固有频率的轴系设计使轴系相对于其质量来说具有较低的扭转刚度，这样就允许曲轴用强度更高、质量更小的材料来制造。

高强度轴材料的使用意味着材料中的应力水平可以较高，从而，在载荷不变的情况下，轴可以制造成具有较小的横截面积，从而具有较小的质量。横截面积缩小意味着轴的扭转刚度降低。如果固有频率变得低于8.5倍的MCR，对于扭转来说，轴就变得太软了。

对目前的2节点扭转振动固有频率来说，第9到第11阶的扭转振动对轴中的扭转应力有贡献。在某些情况下，这种贡献相对于总体应力水平来说没有实质的重要性，但在有些情况下，所述应力可能就大得不能接受了，尤其是在主轴颈中。在后一种情况下，可以通过调整发动机的点火角而加以补偿，使变化的扭转振动对第11阶振动的总的贡献减少。在这样的一种实施例中，汽缸C1-C7的点火角(α1-α7)的范围分别为：358-2度，105.9-109.9度，255.1-259.1度，211.7-215.7度，155.3-159.3度，314.6-318.6度和57.4-61.4度，七个汽缸的编号或者从发动机的前部或者从其后部开始数起。各汽缸的点火角最好是：C1，0度；C2，107.9度；C3，257.1度；C4，213.7度；C5，157.3度；C6，316.6度；C7，59.4度。

附图说明

下面结合示意图详细描述本发明的发动机的实施例。图中：

图1是本发明的十字头式发动机的示意图；

图2是2节点扭转振动模式的略图；

图3是图1所示的发动机的点火角的举例的示意图。

具体实施方式

图1示出了一种七缸十字头式狄塞尔发动机1，它例如用油和/或气作为燃料。这种发动机的结构是众所周知的，例如，它可以是本申请人的MC型发动机。汽缸内径例如可以从35到110厘米，冲程例如在80-400厘米，平均压力例如为18-21巴，每个汽缸的输出例如可以在400-7000千瓦或更高。该发动机是七缸直排发动机。

该发动机的轴系是基于直接连接到带有螺旋桨4的螺旋桨轴3的曲轴2，或者是直接连接到螺旋桨轴，或者是根据需要通过至少一个中间轴。如果需要，还可以在曲轴和螺旋桨轴之间加一个离合器。如果螺旋桨是桨距(pitch)可变的CP型螺旋桨，在曲轴和螺旋桨轴之间就可能有一个油分配轴，通过它，可以将液压流体送到螺旋桨或从螺旋桨送回，以用于调节螺旋桨的桨距。或者，螺旋桨可以是具有固定桨距的FP型螺旋桨。

图2图示了一个2节点扭转振动模式的例子。C1-C7表示汽缸在发动机中的位置，P表示螺旋桨4的位置。绘制的曲线d表示了在该振动模式下，轴的相对扭转变形，即，在有关轴向位置的实际变形除以轴的最大扭转变形。曲线d和水平轴的交点k表示扭转振动的节点的位置。显然，曲线d仅适用于一个特定的例子，轴系的不同设计会影响曲线的轨迹和节点的位置。

对于2节点振动模式来说，该轴系的固有频率为n＝1210cpm。固有频率是以一种众所周知的方式确定的，即轴系的刚度和质量的比值。该发动机是在MCR＝107rpm时输出为9840千瓦、平均压力为14巴的7L60MC发动机。该发动机的汽缸内径为600毫米，冲程为1944毫米。在安装到轮船上后，如果希望使发动机在更低的转速下满负荷运行，以降低燃料比耗，可以将MCR降到101rpm，而不需要改变轴系；如果需要使发动机在更高的转速下满负荷运行，以增大输出，则可以将MCR提高到123rpm，这是由该发电机的结构决定的转速上限。

所述曲轴是用抗拉强度σ_0.2为610牛顿每平方毫米的钢制造的，在主轴颈中，由扭转振动产生的公称应力可以接受的上限为30牛顿每平方毫米。该轴系的扭转挠性约为37nrad/Nm。

万一所述变化中的扭转振动不合需要地大，有几种可能性来降低应力。应力水平是取决于汽缸输出的激发力的大小的函数，也是振动系统的动态条件的函数，后者取决于发动机的弹性振动体系和转速，并取决于所谓的向量和，该向量和取决于在发动机循环中激发力何时作用，更具体地说是由汽缸的点火角确定的。

由于希望发动机具有特定的输出，并且希望曲轴尽可能地不受振动条件的影响，因此，最好避免改变弹性振动体系和激发力的大小。

在所述向量和方面，对2节点扭转振动模式的振动贡献是由各个汽缸的随时间变化的扭矩贡献构成的。以众所周知的方式，这些振动贡献可以分解为谐波分量，对于谐波分量的每一阶i，都存在一个共振转数ω_i＝n/i，在该转数，该振动阶与轴系的固有频率发生共振。由于轮船的推进发动机一般在其MCR大量连续工作，尤其应当考虑可能在接近MCR的转速发生共振的谐波分量。对于2节点扭转振动模式下范围在8.5到12.0倍的MCR的固有频率，可以考虑第9阶到第12阶的振动。

首先可以考虑这样的MC型七缸发动机：点火顺序为C1、C7、C2、C5、C4、C3、C6，点火角相等，即，每次点火之间的回转角为360度/7＝51.4度。基于此计算点火角，使得第9阶到第12阶振动的向量和较小。

一组尤其有利的点火角示于图3中：C1，0度；C2，107.9度；C3，257.1度；C4，213.7度；C5，157.3度；C6，316.6度；C7，59.4度。这些点火角对于第9阶到第12阶振动具有相当低的向量和，而在其他振动参数方面没有任何显著的不利变化，所述其他振动参数比如是第1和第2阶力矩的自由力(free force)，轴系的引导力(guide force)或者轴向振动。这些点火角使得可以制造没有抑制扭转振动的作用部件的轴系，尽管轴系的固有频率选择在使第9、第10、第11、第12阶扭转振动在发电机的连续工作点或其附近发生共振。所述点火角变化的角度差可以在2度以下。要有利地实现对第9到第12阶扭转振动少贡献的目的，其他的点火角的组合也是可能的。

可以有利地应用本发明所述的点火角的七缸发动机的其他例子是在97rpm的MCR下输出为21280千瓦的7K80MC-C发动机，在104rpm的MCR下最大输出为39970千瓦的7K98MC-C发动机，以及其他的汽缸内径例如为900毫米、840毫米、700毫米、500毫米和460毫米的发动机型号。

上述点火角提供一种不那么均匀的点火顺序，其中，在各次点火之间，曲轴分别旋转59.4度、48.5度、49.4度、56.4度、43.4度、59.5度和43.4度。

如果轴系的固有频率显著高于12倍的MCR，理想效果就太差了，而且还会有来自第13阶或更高振动阶的振动贡献。

Claims (3)

1.一种具有轴系的七缸二冲程十字头式发动机(1)，该轴系包括一个通过至少一个螺旋桨轴(3)直接连接到轮船的螺旋桨(4)的曲轴(2)，其特征在于，轴系的2节点(k)扭转振动固有频率的范围为8.5到12.0倍的MCR，MCR为发动机在满负载下的转速。

2.如权利要求1所述的七缸二冲程十字头式发动机，其特征在于，汽缸C1-C7的点火角(α1-α7)的范围分别为：358-2度，105.9-109.9度，255.1-259.1度，211.7-215.7度，155.3-159.3度，314.6-318.6度和57.4-61.4度，七个汽缸的编号或者从发动机的前部或者从其后部开始数起。

3.如权利要求2所述的七缸二冲程十字头式发动机，其特征在于，各汽缸的点火角分别是：C1，0度；C2，107.9度；C3，257.1度；C4，213.7度；C5，157.3度；C6，316.6度；C7，59.4度。

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