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船舶動(dòng)力裝置控制技術(shù)發(fā)展第1頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述1.1船舶類型(1)客渡船:洲際郵輪車客渡輪內(nèi)河客輪、游輪美國(guó)皇家加勒比公司海洋自由號(hào)、海洋解放號(hào)、海洋獨(dú)立號(hào)船長(zhǎng)339米,船高72米,1817間客房、排水量16萬噸,可搭載4370名客人和1000名船務(wù)人員。第2頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述煙大輪渡公司渤海1號(hào)、渤海2號(hào)、渤海3號(hào)、渤海4號(hào)船長(zhǎng)182.6米、寬24.8米,總噸位22700噸,有5條火車車道,車道總長(zhǎng)度768米。單航次可載運(yùn)一列50節(jié)80噸重的貨運(yùn)列車、50輛20噸載重汽車、25輛小汽車和480名旅客。第3頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述“中遠(yuǎn)亞洲”號(hào),11萬噸,長(zhǎng)349米,寬45.6米,可裝載10062個(gè)集裝箱。“中海高速”號(hào),3萬噸,長(zhǎng)176米,寬28米,十層甲板艙,最大運(yùn)力3290車位?!靶缕已蟆碧?hào),30.8萬噸,滿載總排水量35萬多噸,甲板長(zhǎng)333米?!疤m梅”號(hào),20.6萬噸,長(zhǎng)299.92米,寬50米,航速為15節(jié)。v(2)貨船:集裝箱輪滾裝輪油輪雜散貨輪液化氣輪"大鵬昊",14.7萬立方米裝載量,長(zhǎng)292米,寬43.35米,型深26.25米,航速19.5節(jié)。第4頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述(3)工程船:起重船運(yùn)架船疏浚船敷管船破冰船“藍(lán)鯨”7500噸全回轉(zhuǎn)起重船,長(zhǎng)241米,寬50米,深20.4米,航速11節(jié)。“天一”3000噸海上運(yùn)架船,長(zhǎng)90米,寬40米?!疤┌部凇?8000噸半潛船,長(zhǎng)156米,寬32.2米,深10米,下潛深度19米,航速14節(jié)?!癉LS-4200”鋪管船,長(zhǎng)197米,寬43.4米,深19.6米。作業(yè)水深300米,甲板堆管7000噸,鋪管能力25公里/天?!靶潞}垺弊院桨椅绞杩4?,長(zhǎng)153米,寬27米,型深11米,最大挖深35米,艙容12888立方米?!把垺保票?,長(zhǎng)167米,寬22米,型深13.5米,排水量21000噸,航速18節(jié),能以1.5節(jié)航速連續(xù)破冰1.2米前行。第5頁/共76頁(4)特種船:科考船環(huán)境監(jiān)測(cè)船保潔船1.現(xiàn)代民用船舶概述第6頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述1.2船舶推進(jìn)方式(1)螺旋槳推進(jìn)吊艙推進(jìn)艉軸推進(jìn)Z型推進(jìn)螺旋槳形式:固定螺距槳(FPP)可變螺距槳(CPP)螺旋槳推進(jìn)的最高航速約40kn第7頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述(2)噴射推進(jìn)
噴射推進(jìn)有著螺旋槳推進(jìn)不具備的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于高速、高性能、淺吃水船。目前的最高航速可達(dá)到70kn。水流噴射形式:
——間歇式噴水推進(jìn);
——底板式噴水推進(jìn);
——尾板式噴水推進(jìn);
——舷外噴水推進(jìn)。第8頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述“海騰01”號(hào)智能高速無人水面艇重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的“海騰01”號(hào)智能高速無人水面艇,艇長(zhǎng)10.5米,寬3.6米,滿載排水量8.5噸,吃水0.8米。噴水推進(jìn),最大航速40節(jié),巡航速度30節(jié)。由艇體、推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)等組成。第9頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述
利用高壓空氣在船底和水面間形成氣墊,使船體全部或部分墊升而實(shí)現(xiàn)船舶高速航行,又稱氣墊船。氣墊船型式:
——全墊升氣墊船
——側(cè)壁式氣墊船(3)氣墊ZUBR級(jí)氣墊船能夠搭載三輛坦克、十輛裝甲運(yùn)兵車,或在時(shí)速超過63節(jié)的情況下搭載500名士兵。第10頁/共76頁(4)磁流體推進(jìn)
電磁流體推進(jìn)是一種新型船舶推進(jìn)方式。其原理是,在相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力,其反作用推動(dòng)船舶前進(jìn)。它改變了傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式,使船舶成為真正“安靜”型船舶。1.現(xiàn)代民用船舶概述第11頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述磁流體推進(jìn)分類外磁式:
——直流推進(jìn)
——交流推進(jìn)內(nèi)磁式(封閉的磁場(chǎng)):
——直管式(矩形或環(huán)形)
——螺旋管式從感應(yīng)電流看:電磁力推動(dòng)水流從感應(yīng)磁場(chǎng)看:類似被展開的異步電動(dòng)機(jī)水流看作是異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子第12頁/共76頁1.現(xiàn)代民用船舶概述——日本于1991年秋建成了“大和1號(hào)”試驗(yàn)船(排水量185噸,海水通電功率3420kw);——中科院電工所在國(guó)家863計(jì)劃資助下,1998年建成一艘超導(dǎo)螺旋式電磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船(HEMS-1)。關(guān)鍵技術(shù):
——高溫超導(dǎo)技術(shù)
——磁體技術(shù)第13頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型
船舶動(dòng)力裝置組成:
——推進(jìn)動(dòng)力裝置(主機(jī)+傳動(dòng)設(shè)備+推進(jìn)器);
——輔助動(dòng)力裝置(發(fā)電機(jī)組/輔助鍋爐/壓縮空氣);
——機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)。2.1推進(jìn)動(dòng)力裝置(1)蒸汽機(jī)推進(jìn):蒸汽發(fā)生器+汽輪機(jī)+螺旋槳(2)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn):低速柴油機(jī)+螺旋槳(主要生產(chǎn)商MANB&W,SULZER,Wartsila)(3)電力推進(jìn):電動(dòng)機(jī)+螺旋槳(4)混合動(dòng)力推進(jìn):內(nèi)燃機(jī)+電動(dòng)機(jī)+螺旋槳汽輪機(jī)+電動(dòng)機(jī)+螺旋槳第14頁/共76頁船舶推進(jìn)與航向控制2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型艉軸推進(jìn):推進(jìn)控制與航向控制不相關(guān)第15頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型Z型推進(jìn)或吊艙推進(jìn):推進(jìn)控制與航向控制相關(guān)第16頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型(1)主要用于軍船:核動(dòng)力航母、艦艇(2)核動(dòng)力破冰船(3)論證中的新一代民用船舶主要問題:(1)安全性(2)低速工況下的效率提升汽輪機(jī)推進(jìn)第17頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型二沖程低速大功率柴油機(jī)掃排氣系統(tǒng)燃油系統(tǒng)滑油系統(tǒng)冷卻水系統(tǒng)空氣系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)第18頁/共76頁四沖程中速柴油機(jī)2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第19頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型二沖程低速大功率柴油機(jī)的工作循環(huán)第20頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第21頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第22頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第23頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第24頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第25頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第26頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第27頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型2.2輔助動(dòng)力裝置(1)汽輪發(fā)電機(jī)組(2)柴油發(fā)電機(jī)組(3)軸帶發(fā)電機(jī)組(4)輔助鍋爐第28頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型發(fā)電機(jī)組調(diào)頻調(diào)壓第29頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型頻率與有功功率調(diào)整第30頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型電壓與無功功率調(diào)整第31頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型柴油發(fā)電機(jī)組第32頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第33頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第34頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型第35頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型軸帶發(fā)電機(jī)組對(duì)于FPP,解決恒頻恒壓?jiǎn)栴}:(1)采用旋轉(zhuǎn)換流機(jī)組(2)采用電力電子變流第36頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型軸帶發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)頻穩(wěn)壓第37頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型輔助鍋爐第38頁/共76頁2.船舶動(dòng)力裝置組成、類型鍋爐蒸汽壓力與水位調(diào)節(jié)第39頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)3.1主機(jī)+固定螺距槳(FPP)——主機(jī)起動(dòng):壓縮空氣,發(fā)火點(diǎn)(約30%額定轉(zhuǎn)速)——主機(jī)制動(dòng):壓縮空氣——主機(jī)換向:時(shí)序轉(zhuǎn)換180度——主機(jī)調(diào)速:調(diào)節(jié)油門開度(調(diào)速器)第40頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)3.2主機(jī)+可調(diào)螺距槳(CPP)——主機(jī)起動(dòng):壓縮空氣,發(fā)火點(diǎn)(約30%額定轉(zhuǎn)速)——主機(jī)制動(dòng):壓縮空氣——換向:負(fù)螺距——調(diào)速:調(diào)節(jié)油門開度或調(diào)節(jié)螺距第41頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)3.3主機(jī)遙控系統(tǒng)船舶主機(jī)遙控(Marinemainengineremotecontrol)是離開機(jī)旁在駕駛臺(tái)或集中控制室對(duì)主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操縱的一種方式。是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)艙的必備條件之一。在操縱部位(駕駛臺(tái)或集中控制室)發(fā)出的操車信號(hào)與主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間設(shè)置一套綜合的邏輯與控制回路:
——組合邏輯回路;
——時(shí)序邏輯回路;
——反饋控制回路;
——安全保護(hù)回路。氣動(dòng)遙控系統(tǒng):在集中控制室遙控主機(jī),利用氣動(dòng)閥件所組成的各種邏輯回路和控制回路實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)遙控系統(tǒng):在駕駛臺(tái)遙控主機(jī),發(fā)送的是電信號(hào),經(jīng)電動(dòng)邏輯回路處理后,再經(jīng)電/氣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成氣壓信號(hào)并由集中控制室的氣動(dòng)邏輯回路來操縱主機(jī)。第42頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)以SIEMENS-33系列機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)為例第43頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)第44頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)起動(dòng)控制第45頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)第46頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)停車控制第47頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)第48頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)換向控制第49頁/共76頁3.柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)基本原理和控制技術(shù)第50頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)
由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司和中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司牽頭的“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“船舶關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”課題,包括了五個(gè)子課題。研究目標(biāo):通過引進(jìn)、消化吸收與創(chuàng)新,掌握智能船用低速機(jī)整機(jī)制造技術(shù)和電子控制技術(shù)等。(1)課題一“大功率智能型船用柴油機(jī)研制”
——柴油機(jī)電子控制系統(tǒng);
——柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng);
——電子控制注油器系統(tǒng);
——電控柴油機(jī)液壓執(zhí)行模塊;
——設(shè)計(jì)技術(shù)研究。(2)課題三“船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)”
——低速和中高速主機(jī)遙控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究;
——全船監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究;
——閥門遙控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究;
——機(jī)艙自動(dòng)化數(shù)字平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)。第51頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)4.1智能化柴油機(jī)
柴油機(jī)智能化體現(xiàn)在對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)與控制。圖示為MANB&W智能化柴油機(jī)的“智能化”構(gòu)成。第52頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(1)運(yùn)行模式
——對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和排放的要求,控制系統(tǒng)給出最優(yōu)的運(yùn)行方式。
——根據(jù)柴油機(jī)工況監(jiān)視來決定其運(yùn)行。提高主機(jī)效率確保主機(jī)安全控制主機(jī)排放第53頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(2)工況監(jiān)測(cè)
——報(bào)告不良狀況及故障診斷,提供對(duì)策,推薦柴油機(jī)的操作,直到重新達(dá)到正常工況或進(jìn)行維修。
——增加柴油機(jī)可靠性,在線監(jiān)測(cè),保證各缸負(fù)荷均勻分配,防止熱負(fù)荷過高,故障早期預(yù)報(bào),并采取相應(yīng)對(duì)策。掃排氣監(jiān)視第54頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(3)運(yùn)行控制包括:燃油噴油、排氣閥,氣缸潤(rùn)滑油和增壓。其中有的控制功能是預(yù)先選擇的,有的控制功能則由工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇。
——提高排放控制靈活性,滿足不同排放控制的要求,以適應(yīng)更嚴(yán)格的環(huán)保要求以及今后改進(jìn)的可能性;
——降低燃油和滑油消耗,在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)油耗最佳,保持優(yōu)良性能。注油器包括應(yīng)急鼓風(fēng)機(jī)控制第55頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)4.2柴油機(jī)電控技術(shù)(1)電子控制主要功能:
——控制噴油
——控制排氣柴油機(jī)控制單元(EU):
——設(shè)定值控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;
——保護(hù)柴油機(jī)(過載和故障保護(hù));
——優(yōu)化燃燒,與運(yùn)行工況匹配;
——柴油機(jī)的起、停、反轉(zhuǎn)程序;
——液壓伺服供油(潤(rùn)滑油);
——輔助鼓風(fēng)機(jī)和增壓。第56頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(2)共軌控制智能化柴油機(jī)的燃油噴射、排氣、起動(dòng)、氣缸潤(rùn)滑等都使用電子控制。傳統(tǒng)的用于直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的曲柄連桿機(jī)構(gòu)將繼續(xù)保持,但是整個(gè)凸輪軸及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、換向伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排氣門的驅(qū)動(dòng)裝置和燃油泵都被取消。
——燃油共軌;
——滑油共軌;
——排氣共軌;
——起動(dòng)空氣共軌。第57頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)
在傳統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)中,將噴油壓力、噴油定時(shí)、噴油量的控制集成一體。而在共軌系統(tǒng)中,將這三部分獨(dú)立,分別控制。各缸有一個(gè)控制裝置(CU),控制系統(tǒng)集中控制(EU)。各個(gè)噴油嘴可以不同的形式組合,使得噴油形式多樣化,可實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射,3次噴射和順序噴射。共軌系統(tǒng)能夠有選擇性地切斷某單個(gè)噴油器,在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)噴射所需的油量很少且霧化較好。在這種狀況下,共軌系統(tǒng)能有序地使用3個(gè)噴油器,最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速達(dá)12rpm,低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)無煙,并且在其他負(fù)荷時(shí)對(duì)NOx排放沒有影響。燃油共軌第58頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)——燃油消耗率下降——結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量減輕——平衡各缸排氣溫度——低速航行時(shí)無煙運(yùn)行——極低的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速常規(guī)二沖程低速柴油機(jī)燃油共軌柴油機(jī)第59頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)4.3電子注油技術(shù)
柴油機(jī)氣缸潤(rùn)滑是整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。氣缸滑油消耗是柴油機(jī)運(yùn)行的一大筆花費(fèi),特別對(duì)于大缸徑柴油機(jī)。所以氣缸潤(rùn)滑研究的目的是降低氣缸滑油的消耗量,而又要保持滿意的活塞環(huán)/缸套的磨損率和維持或改進(jìn)檢修期限。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制氣缸油必須在正確的位置和時(shí)間注入氣缸,以求效果最佳。這對(duì)于傳統(tǒng)的注油器是不可能的,所以開發(fā)新的電子注油器。(2)氣缸油注油噴射量和噴油定時(shí)各缸注油量由在一定轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)注油次數(shù)來控制。所謂間斷潤(rùn)滑是指每次注入相對(duì)大的油量,保證在整個(gè)氣缸周圍有最佳分布。精確的定時(shí)可保證所有氣缸油直接送到活塞環(huán)所需之處。涉及到噴油頻率的確定等一系列控制策略細(xì)節(jié)。第60頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)4.4電子調(diào)速技術(shù)
柴油機(jī)調(diào)速控制經(jīng)過了機(jī)械式調(diào)速器、全制式液壓調(diào)速器、電子調(diào)速器、具備噴油定時(shí)的電子調(diào)速器四個(gè)階段。目前,數(shù)字式電子調(diào)速系統(tǒng)的功能已不僅僅是完成柴油機(jī)調(diào)速這一功能。諸如工況限制、安全保護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和診斷、增壓控制、冷卻水溫控制、配氣定時(shí)控制、變速齒輪箱控制、調(diào)距槳控制、負(fù)荷分配控制、噴油正時(shí)控制、燃油/空氣比例控制等。調(diào)速技術(shù)向智能化方向發(fā)展。第61頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)第62頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(1)電子調(diào)速器原理框圖第63頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)——直接油門調(diào)節(jié)——比例-積分調(diào)節(jié)——微分調(diào)節(jié)第64頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(2)死區(qū)控制第65頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(3)執(zhí)行器位置伺服控制第66頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(4)調(diào)速器安全保護(hù)限制第67頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)4.5可調(diào)螺距控制技術(shù)可調(diào)螺距槳在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問題:
——實(shí)船調(diào)距槳的船-機(jī)-槳匹配,設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)一般原則確定的,難以達(dá)到在實(shí)際船-機(jī)-槳優(yōu)化匹配的目的。
——不能適應(yīng)船舶負(fù)載多變的現(xiàn)實(shí),其結(jié)果是:在船舶不同工況下,給定主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速不能獲得最大航速;給定航速時(shí),不能獲得最佳的節(jié)油效果。第68頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(1)給定功率(恒功率)下的最大航速控制滿足以下條件:
——主機(jī)必須工作在標(biāo)定功率外特性曲線上;
——螺旋槳必須工作在優(yōu)化螺距的最大效率點(diǎn)上;
——螺旋槳功率-速度曲線必須和船舶推進(jìn)功率-速度曲線相匹配。計(jì)算最大航速所對(duì)應(yīng)的螺距,即計(jì)算最優(yōu)螺距:柴油機(jī)功率-轉(zhuǎn)速特性→螺旋槳效率-進(jìn)速特性→船舶速度-阻力特性→由此求得相應(yīng)的螺距比。第69頁/共76頁4.柴油機(jī)推進(jìn)控制新技術(shù)(2)給定航速(恒速)下的最小油耗控制
為保持一定航速V,主機(jī)可以有若干組
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