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船用推进主机冒黑烟故障现象的分析及解决方案.docxVIP

船用推进主机冒黑烟故障现象的分析及解决方案.docx

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L21/31发动机的设计特性

对于用以船用推进,特别是配用固定浆使用的发动机,低速大扭矩是其重要而且常用的工况,因此满足该工况的使用要求是发动机设计者,必须要考虑的重要课题。?

怠速时发动机与齿轮箱合拍的工况,即要求发动机具有良好的低速大扭矩特性,又要具有负荷突加时避免冒黑烟的现象发生,因此从发动机设计的阶段开始,就必须把问题考虑进去。

下面就以L21/31发动机为例进行分析。

1.L21/31发动机的技术特点

为了更好的说明问题,我们有必要首先对L21/31发动机的技术特点进行简单的介绍。

L21/31是德国曼恩公司针对其船用推进应用进行了优化设计,使其能满足该机输出范围内推进服务的特定要求。

L21/31调速器由一个液压调速器和一个可选的电子调速控制模块组成,以便于实现对发动机的精确控制。

L21/31推进发动机设计了一个简单的恒压涡轮增压器和排气系统,该系统集成了一个经过尺寸优化,相对狭窄的排气总管,使其可快速获取发动机的负载响应。?

尽管恒压增压系统的设计,有系统简单,制造方便,特别是对于系列发动机易于系列化生产等优点,但是对于发动机在低速低负荷时,由于废气能量不足致使可能增压空气量不足,为了弥补该缺点,系统设计时增加了增压器压缩空气助喷功能,增压器助喷功能就是将压缩空气在增压系统需要时喷入增压器压气叶轮上,以提高压气叶轮的转速从而达到增加压缩空气量的目的,如图1。

图1?增压器压缩空气原理图

2.L21/31发动机的负荷扭矩特性

为了验证该发动机的低速扭矩特性,以及能否满足固定桨螺距特性的要求,对于8L21/31发动机(1720千瓦/1000转),根据常用的扭矩和功率计算公式,特作如下计算分析:

T≈9549P/N?

式中,

T——扭矩(牛顿米);

P——功率(千瓦);

N——转速(转/分钟)。

因此,发动机在100%功率时,能提供的最大扭矩为:

T=9549×1720/1000=16424.3牛顿米。

根据发动机的负荷扭矩特性曲线图,可知,发动机在最低怠速500转时,短时间内能提供的最大扭矩约为在100%转速时的30%左右,约为16424.3×30%=4927牛顿米。?

根据船舶螺旋桨推进理论,有:

P=K×n3=K×(N/A)3?

式中,

P——功率(千瓦);

n——螺旋桨转速(转/分钟);

N——发动机转速(转/分钟);

A——减速齿轮箱的减速比;

K——常数。?

因此,有以下计算:?

1720=K×(1000/A)3?K=1.72x10-?×A3

当发动机500转时,按理论螺旋桨运行,发动机需要输出的功率为:?

P=K×n3=K×(N/A)3=1.72×10-?×A的3×(500/A)3=215千瓦。

此时需要的扭矩为:?

T=9549×P/N=9549×215/500=4106牛顿米。

3.推进主机的合拍扭矩

为了评估在低负载下发动机动态运行的安全裕度,模拟进行了主机/齿轮箱合拍时扭矩的变化过程,并对一个实际的案例进行分析研究,该案例船型为多功能特种作业船。

该船由2个8L21/31主发动机提供动力,配有减速齿轮箱和固定螺旋桨。

合拍扭矩在齿轮箱输入轴上进行评估,包括以下内容:

①起动对应于艉管轴承的滑动摩擦。

扭矩评估值为0.29千牛米,大约在艉轴1转后认为扭矩消失。

②变速齿轮箱和螺旋桨的惯性扭矩在约6秒内从0转加速到500转的主机合拍转速—主机怠速。?

加速度被认为是恒定的,恒定的转矩约为1千牛米。

加速达到稳定的主机怠速后,这一恒定的转矩也随之消失。

③固定螺旋桨的液力扭矩与螺旋桨设计时设计的螺距/盘面比相关,对于给定的船型来说,螺旋桨的液力扭矩与其转速成正比,在发动机怠速(500转)下的功率消耗预计为200千瓦,对应的扭矩为3.82千牛。?

合拍后发动机恢复到稳定的怠速运转时,这也是此时唯一作用在发动机上的扭矩。?

④合拍过程的时间大约为6秒。?

因此,从以上测量在发动机500转和齿轮箱合拍时的扭矩(3.82千牛)和根据发动机的负荷特性曲线短期允许的最大扭矩(4.927千牛)的结果来看,发动机在500转时扭矩有足够的裕度,可以满足合拍时对主机低速大扭矩的要求。?

4.发动机与螺旋桨的匹配

为了保证发动机以及整个推进系统,在发动机全工况下(低速大扭矩,高速大负荷以及突然变负荷,持续加负荷等)和不同的海况(无风无浪和迎风迎浪),以及污底船壳和污损螺旋桨等各种情况下良好的运行,发动机与螺旋桨的良好匹配极为重要,图2为L21/31推进用发动机的特性及发动机生产厂家推荐的机桨匹配曲线图。?

图2?L21/31发动机负荷尧扭矩尧转速特性曲线

从以上发动机厂家推荐的机桨匹配设计,可以看出厂家建议螺旋桨设计时留有3.5%~6%的轻桨裕度,或者

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