1、本科毕业论文（20 届）“育鲲”轮机桨工况配合特性及调距液压系统分析所在学院专业班级 轮机工程学生姓名指导教师完成日期内容摘要摘要：为了实现船舶安全、经济的运营，本文通过对“育鲲”轮的机桨配合性及调距液压系统进行分析，了解 CPP 的工作特性及优缺点，总结 CPP 系统在营运过程中可能出现的故障，并针对故障提出了相应的解决措施及日常维护事项。关键词：调距桨 机桨配合 液压系统 优缺点 故障诊断 维护ABSTRACT:In order to make the ship run more safely and economical, this thesis analyzed the combina
2、tion of the controllable pitch propeller (CPP) and the engine, and the system of the hydraulic system of change the pitch. And also found the working characteristics of the CPP and its advantages and disadvantages. At last, we made a conclusion about the troubles that might occur during the running
3、of the CPP. Also we brought out the maintenance measures and daily check against corresponding malfunctions.Key words: controllable pitch propeller; combination of the propeller and engine; hydraulic system; advantages and disadvantages; trouble shooting; maintenance目录绪论 .11 调距桨的工作原理及特性 .11.1 螺旋桨的工作
4、原理 .11.2 螺旋桨的工作特性 .11.3 调距桨的工作特性 .21.4 调距桨的优缺点 .32 调距桨船的机桨工况配合特性 .42.1 螺旋桨的推进特性 .42.2 柴油机的功率输出 .52.3 正常航行条件下的机桨工况配合特性 .53“育鲲”轮调距桨（CPP）装置 .73.1 CPP 装置的组成 .73.2 CPP 液压系统工作原理 .83.3 液压系统重要元件 .103.3.1 比例调节阀 .103.3.2 液压锁 .103.3.3 双止回阀 .103.4 CPP 螺距的应急设定 .113.5 故障分析 .113.5.1 配油环漏油 .113.5.2 螺距不稳定 .113.5.3 零
5、点漂移 .113.6 日常维护 .124 结论 .121“育鲲”轮机桨工况配合特性及调距液压系统原理分析绪论“育鲲”轮是我国第一艘自主研发、设计、建造的现代化专用远洋教学实习船，于2008 年 4 月正式投入使用，主要用于航海类专业的教学实习或代表学校和国家出访，并可进行交通运输工程、航海技术和轮机工程等学科的科学研究和实船实验。 “育鲲”轮由武昌造船厂建造，船体总长度 116.00 米，型宽 18.00 米，型深 8.35 米，总吨 6106t，设计航速17.3kn，服务航速 16.9kn，续航力 10000nmile。 “育鲲”轮人员编制共 236 人，其中船员定额 40 人，学员定额 1
6、96 人。 “育鲲”轮采用定速主机和可调距螺旋桨配合的推进方式。本轮主机为 MAN B&W 公司生产的 6S35MC 柴油机，该机为 6 缸、直列、增加中冷的低速二冲程十字头式柴油机，最大持续功率 4440KW，对应转速 173r/min；螺旋桨设计工况点功率为 3996KW，对应转速 170r/min。螺旋桨由丹麦 MAN 公司生产的 VBS980 型可调螺距螺旋桨 ，为四叶式桨、直径 3800mm。 “育鲲”轮的调距机构是以液压油为动力源，液压伺服单元用于提供具有一定压力的液压油以驱动调距机构工作，可分别在伺服单元上、集控室和驾驶台对变距桨的螺距进行调节和控制。1 调距桨的工作原理及特性1
7、.1 螺旋桨的工作原理螺旋桨是一种反作用式推进器，当螺旋桨转动时，桨推水向后（或向前） ，并受到水的反作用力而产生向前（或向后）的推力，使船舶前进（或倒退） 。螺旋桨的压力面是一个螺旋面，螺旋面上母线任一点的旋转一周在轴线方向前进的距离称为螺距 H，螺距 H 与与直径 D 的比值为螺距比。螺旋桨前进一周在轴线方向上前进的距离为进程 hp。进程与直径的比值为进程比 p。当螺旋桨在水中运动时，水被它推向后移，螺旋桨前进的距离要比螺距小，这种现象称为滑失现象。滑失即螺距与进程的差值。滑失与直径的比值为滑失比。1.2 螺旋桨的工作特性螺旋桨的推力 T=K1n 2 D4 （N ）螺旋桨的阻力距 M= K
8、2n 2 D5 （N m）式中，K 1、K 2分别为推力系数和扭矩系数水的密度，kg/m 3D螺旋桨的直径，mn螺旋桨的转速，r/s对于几何形状一定的螺旋桨，推力系数 K1 和扭矩系数 K2 都取决于进程比 p。由进程比的定义式 p=hp/D=vp/nD 可知，对于一定的螺旋桨， p 取决于船舶的航行状态，即2取决于船舶的航行工况。因此，当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就有一个固定的p 值，K 1 和 K2 也成为常数。螺旋桨的直径 D 是固定不变的，水的密度 也可认为不变，这样可以把螺旋桨的工作性能的基本方程式表示为T=C1 n2M=C2 n2式中，C 1 、C 2 为系数，取决于船舶的
9、航行工况，当船舶在不变的工况下稳定航行时，均为常数。螺旋桨的功率 Pp=2n M，将 M=C2n2 代入，得到Pp=Cn3式中，系数 C 也取决于船舶航行工况。1.3 调距桨的工作特性根据定距桨功率和转速关系式可知，当船舶航行阻力增加时，只要船舶处于稳定航行状态时，螺旋桨所需功率 Pp 与其转速 n 间仍然保持三次方关系，但由于系数 C 将发生变化，因此螺旋桨特性也要发生变化，如图 1 所示。由图可见，当船舶阻力增加后，相同的螺旋桨转速下，螺旋桨所需的功率将增加。也就是说，螺旋桨随船舶阻力增加而负荷变重；反之，则变轻。图 1-1 船舶阻力对螺旋桨特性影响当外界条件不变而螺旋桨的螺距比 H/D
10、改变，船舶处于稳定航行状态时，螺旋桨所需功率与其转速仍然保持三次方的关系，但是因数 C 的变化，使螺旋桨特性也发生变化。由此可见，同样的航行条件下，使螺旋桨转速保持不变，采用的螺距越小，螺旋桨所需功率也就越小，螺旋桨负荷越轻，反之越重。综合以上两种情况，由船舶阻力变化所引起的螺旋桨特性变化可用变螺距比的方法来补偿，只要螺距比采用得适当，在船舶阻力发生变化时，可使螺旋桨的功率转速特性曲线保持在原来的位置，也就可以用变螺距的方法去适应船舶工况的变化。对于定距桨，它只有一组工作特性曲线，并且当 p=常数时，它的推力、阻力矩、功率和转速之间的曲线只有一条；而调距桨，则可以把它视为一系列同一直径的具有不
11、同螺3距比的定距桨的组合，所以它的特性曲线是由多组类似于定距桨的工作特性曲线共同组成的。把调距桨的工作特性曲线绘成图 2 的形式，由图可见，在阻力因素不变的情况下，螺距越大，则相同转速下的推力就越大，转矩也越大，因而当船舶阻力发生变化时，可通过调整螺距比来控制螺旋桨转速和转矩及推力之间的关系，即可满足船舶阻力变化的需要。图 1-2 调距桨工作特性曲线1.4 调距桨的优缺点与定距桨相比，调距桨具有以下优点：（1）对航行条件适应性强：如图 2 右图，经纵坐标的 0.26 点画一条与横坐标轴平行的直线，此线是等转矩系数线，它和一系列等螺距线相交。由此可以看出，无论船舶阻力如何变化，只要取得合适的螺距
12、比即可使 K2 保持不变，根据公式 M= K2n 2 D5，由于定距桨的主机在运行时转速 n 不变，桨直径 D 不变，水密度不变，则转矩保持不变。例如，当在 p=1.0 时，选用 H/D=1.2；当 p=0.7 时，选 H/D 选用 0.9，两种情况 K2 相同。因此航行条件改变的情况下，可以通过调节螺旋桨的螺距比 H/D，就可使螺旋桨的转矩不变，主机就可以可以保持原转速不变，并发出原功率。因此不论船舶在任何工况下，调距桨均能给予主机发出全部功率的能力，船舶可获得较高的航速并获得较大的推力。（2）动力装置的经济性好：相较于定距桨唯一的效率线，调距桨有一条最佳 nH/D匹配曲线，可以兼顾螺旋桨效
13、率和主机燃油消耗率，获得较好的经济性。（3）提高了船舶的机动性；船速可以通过改变主机转速和桨的螺距来实现，船舶的进退是通过改变螺距角的正负来实现的，因此调距桨船舶的机动性可以体现在下面三个方面：螺距角的正负转换比主机换向时间短，尤其在船速较高时；可以给出更大的反向推力；可以进行无极调速，即使主机转速较高也可以实现较慢的船速，完全不受主机最低稳定转速的限制。（4）有利于驱动辅助负载：主机以恒定的转速运转，对使用轴带发电机或使用轴带设备的船舶非常有利。4（5）延长了发动机寿命：由于调距桨的变螺距功能,减少了主机起、停及改变转速的次数，以此减少了运动部件的磨损和受热部件的热疲劳损坏,大大延长主机的寿
14、命,减少主机的维修时间和维修费用。（6）便于实现遥控：螺距的调节一般在驾驶台由驾驶员直接操作，整个遥控系统较简单、容易实现。采用调距桨的主要缺点有：（1） 调距桨和轴系的构造复杂，制造工艺要求高，造价较高。（2） 桨毂中的转叶机构零件较多，而空间又小，可靠性不如定距桨,一旦损坏必须进坞维修，造成巨大损失。（3） 在相同情况下，调距桨由于桨毂部结构较定距桨复杂，使得其毂径比（d/D）较大。在相同的设计工况时，其效率要比定距桨低 1%3%。（4） 调距桨桨叶根部由于受叶根法兰尺寸限制和布置固定螺栓的需要，使叶根剖面宽度较小，为保证根部强度，叶根厚度相应增加，使桨叶根部容易产生空泡。2 调距桨船的机
15、桨工况配合特性2.1 螺旋桨的推进特性由上述可知 T=C1 n2M=C2 n2Pp=Cn3式中 C1、C 2、C 取决于船舶的航行工况，n 为螺旋桨的转速。上述公式说明推力和扭矩与转速的平方成正比，对于同一条船舶，当外界航行工况发生变化时，阻力发生变化，螺旋桨的负荷也就发生变化，因此系数 C1、C 2 也就发生变化，推力和扭矩与转速的关系就变成了另外一条二次曲线，因此推力和扭矩与转速的关系可以用一组二次曲线来表示如图3（左）所示。公式中的系数 C 也由螺旋桨的工作状态即船舶的航行工况决定，由一组三次方曲线组成。如图 3（右）所示。5图 2-1上面是定距桨的功率与转速的关系，调距桨的功率还与第二
16、变量螺距比 H/D 有关。当航行阻力不变时即 为常数，螺距每调整一次，特性曲线就变化一次，H/D 越大，曲线越陡。H/D 与功率的关系可以由图 4 所示。图 2-22.2 柴油机的功率输出柴油的功率输出表达式为Pe=peVsnmi/6000 0 (kw)式中：p e平均有效压力， PaVs气缸工作容积，m 3n柴油机转速，r/minm 每转工作行程数,四冲程 m=1/2,二冲程 m=1 i 气缸数对于既定的柴油机其 VS 和 m 为定值，为简化计算，令 VSm/60000 为 C，C 成为气缸常数。则上面的公式可以简化为6Pe=Cpeni （kw）2.3 正常航行条件下的机桨工况配合特性由于“
17、育鲲”轮在航行时 AT2000-PCS 采用的是定速控制模式，因此以下分析是建立在定速模式的基础之上。在忽略传动机组（齿轮箱）及轴系的传动损失的情况下，柴油机所发出的功率 Pe 等于螺旋桨所吸收的功率。 “育鲲”轮是单机配单桨直接传动方式,忽略传动损失Pe = Pp；M e = Mp；n e = np在正常航行时，由于“育鲲”轮主机转速保持恒定，为 170r/min，气缸为 6 缸，根据公式 Pe=Cpeni （kw）式中 C、i、n 均保持不变，可以看出，柴油机的输出功率 Pe 只和每循环的平均有效压力 pe 成正比，平均有效压力 pe 可近似的认为和柴油机每循环的供油量有关，当供油量一定时
18、，平均有效压力 pe 不变，则柴油机的输出功率 Pe 不变，与螺距比 H/D 无关。由图 2-2 可以看出，在转速不变的情况下，螺旋桨的吸收功率随着螺距比 H/D 的增大而增大，则“育鲲”轮的机桨配合特性可近似如下图所示。、螺旋桨的的推进特性；1、2、3柴油机在各平均有效压力下的功率，Pe=f（p e）曲线；H 1H0H2图中 1、2、3 分别为主机在超负荷、额定负荷、部分负荷功下的工作曲线，曲线、分别为标定工况下的螺旋桨阻力特性曲线、船舶阻力增加下的螺旋桨阻力特性曲线、船舶阻力减少下的螺旋桨阻力特性曲线。为了分析方便，忽略储备功率及传动损失，即图中的 A 是额定功率 Pe,并位于 MCR 点
19、上。机配桨条件下的机桨配合情况当船舶航行在良好的海况， （风浪较小，对船舶阻力影响不大）条件下，由于船舶的吃水及船体的清洁度不会发生大的改变，近似认为螺旋桨工作在推进曲线，在此条件下，假设船舶现航行于机桨配合点 B，对应主机功率为 Pb，对应螺距比为 H1/D，现在需要提高7航速，由于主机转速恒定，只有增大螺距比，当螺距比增加到 H0/D 时，功率也要增加到PMCR，配合点移动到 A 点时，这样船速就加快了。当需要减速时，只需较小螺距比到H1/D，主机功率会自动从 PMCR 降到 Pb。桨配机条件下的机桨配合情况假设主机现在按标定工况工作于 A 点。当外界阻力变大时，如航行在恶劣海况，顶风顶浪
20、，或者吃水增大及船体清洁不良时，螺旋桨的推进特性曲线将变陡，如成曲线所示，这种配合情况称为“桨重” 。如果此时仍保持原有螺距比 H0/D 不变，主机将超负荷运转，这种情况只允许短时工作，不允许长时间运转。由于“育鲲”轮配有变距桨，此时可以改变螺距比，使其螺距比变成 H1/D，工况配合于 d 点，则主机仍能发出全功率，不会出现超负荷运转。当外界阻力减小时，如航行时顺风顺浪，或者吃水减小或者船体清洁良好，此时螺旋桨将按推进曲线工作。如果此时仍保持原有螺距比 H0/D 不变，主机将按部分负荷曲线工作，工况配合于 b 点，不能发出全部功率，这种情况称为“桨轻” 。由于调距桨可以改变螺距比，此时使螺距比
21、增大到 H2/D，使工况配合 c 点，主机仍能发出全功率。无论外界阻力如何变化，调距桨都能使主机发出全功率。“育鲲”轮通过 AT2000-PCS 系统实现上述操作。3“育鲲”轮调距桨（CPP）装置3.1 CPP 装置的组成CPP 装置由调距桨、传动轴、调距机构、液压系统和操作系统组成 调距桨包括可转动的桨叶、桨毂和桨毂内部装设的转叶机构等。转叶机构（见下图）采用曲柄滑块机构，将往复运动转变为回转运动的机构。图 3-1 转叶机构示意图传动轴一般由螺旋桨轴和配油轴组成，两者用套筒联轴器相连。这种传动轴和定距桨的传动轴不同，它是中空的，伺服油缸位于桨毂内，传动轴内是进、排油通道。调距机构包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞，分配压力油给伺服油缸的配
