基于仿真的全柴聯(lián)合動(dòng)力裝置特殊工作制聯(lián)控曲線研究

徐 青 楊義順 忻元健 唐雷杰 王永生

1 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

2 海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

0 引 言

聯(lián)合動(dòng)力裝置是指隨著艦船航行工況的不同而改變發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)器和運(yùn)行方式的推進(jìn)裝置。聯(lián)合動(dòng)力裝置通過主機(jī)、傳動(dòng)裝置、推進(jìn)器的合理配置和組合，能充分發(fā)揮主機(jī)和推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)，使推進(jìn)裝置在全部運(yùn)行工況范圍內(nèi)保持優(yōu)良性能，滿足艦船在高、中、低速工況下的不同要求。所以，國內(nèi)外的護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦大都采用了聯(lián)合動(dòng)力裝置。

全柴聯(lián)合動(dòng)力裝置通常是指CODAD的配置形式。當(dāng)主機(jī)的單機(jī)功率小于每推進(jìn)軸上所要求的總功率時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“多機(jī)共軸”（也稱“多機(jī)并車”）的配置形式，其中，雙機(jī)并車（齒輪箱內(nèi)并車和減速傳動(dòng)）的配置形式較為常見。這種配置通常是采用相同型號(hào)的柴油機(jī)。這樣，推進(jìn)裝置的操縱使用、維護(hù)修理和備品配件供應(yīng)都較方便、簡單，系統(tǒng)全壽命費(fèi)用也較低。另外，同一機(jī)型的分艙布置也提高了系統(tǒng)冗余度，增強(qiáng)了艦船生命力。

聯(lián)合動(dòng)力裝置在組成上的復(fù)雜性和工況上的多樣性給其設(shè)計(jì)目標(biāo)（獲取“各主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能兼優(yōu)”或“綜合性能好”）帶來了困難，也提出了挑戰(zhàn)。在一艘艦船的初步設(shè)計(jì)階段或方案設(shè)計(jì)階段，要設(shè)計(jì)出能充分保證艦船優(yōu)良綜合性能的推進(jìn)裝置，現(xiàn)代仿真技術(shù)（也稱“系統(tǒng)仿真”）的應(yīng)用是一個(gè)必要條件。

所謂系統(tǒng)仿真，一個(gè)較為廣義的定義是，“以與相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)的或假想的系統(tǒng)進(jìn)行研究的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)”［1-2］。系統(tǒng)仿真另一個(gè)較為簡潔的定義為，“仿真是通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)以達(dá)到研究系統(tǒng)的目的”［3-5］。仿真是基于模型的實(shí)驗(yàn)，它是作為理論分析、原理試驗(yàn)以外的第三種認(rèn)識(shí)世界的科學(xué)手段，其應(yīng)用范圍日益普及和擴(kuò)大［6］。仿真技術(shù)在艦船推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用非常廣泛，發(fā)展也很迅速。從推進(jìn)裝置的選型、布置到艦船快速性、操縱性、機(jī)動(dòng)性、適航性的分析和預(yù)報(bào)，從設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)到使用操縱的訓(xùn)練，從振動(dòng)分析到水下噪聲輻射預(yù)估，從推進(jìn)裝置控制規(guī)律的設(shè)定到推進(jìn)系統(tǒng)最佳性能的獲取，系統(tǒng)仿真技術(shù)在國內(nèi)外都已有廣泛而深入的應(yīng)用［7-8］。比如，朱亞莉、隋林等［9-10］基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法建立了某船CODAD推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，得到了該船在四機(jī)雙槳推進(jìn)模式下“轉(zhuǎn)速—螺距—航速”的穩(wěn)態(tài)特性圖。據(jù)稱，該研究將其仿真結(jié)果與國外某公司在相互完全獨(dú)立背景下得到的該課題的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，主要數(shù)據(jù)基本吻合，最大誤差在3%以內(nèi)。該研究還將費(fèi)用最低作為目標(biāo)，以某一航速下的燃油耗量最低作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，求得了調(diào)距槳螺距比和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳匹配。

本文將運(yùn)用仿真方法來研究CODAD推進(jìn)裝置最佳特殊工作制的主機(jī)—調(diào)距槳聯(lián)控曲線的設(shè)計(jì)問題。所指的特殊工作制是指四機(jī)雙軸CODAD推進(jìn)的單軸工作制和三機(jī)工作制。首先，建立推進(jìn)系統(tǒng)主要部件的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)這些部件的力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系將這些部件集成為推進(jìn)系統(tǒng)模型，然后，再進(jìn)行相關(guān)研究。

1 推進(jìn)裝置的數(shù)學(xué)模型

由圖1可以看到，雙軸推進(jìn)的CODAD推進(jìn)裝置由柴油機(jī)、減速齒輪箱（其內(nèi)有液力耦合器）、軸系及調(diào)距槳等主要部件組成，所以推進(jìn)裝置數(shù)學(xué)模型也應(yīng)包括遙控系統(tǒng)的車鐘、電子調(diào)速器、柴油機(jī)本體（含增壓器）、減速齒輪箱、液力耦合器、軸系（摩擦力矩）、調(diào)距槳及船體等主要部件，這些部件特性都被包含在轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程和平動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程中。

圖1 CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置示意圖Fig.1 Sketch of a CODAD propulsion plant

轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程有兩個(gè)：第1個(gè)方程包含柴油機(jī)力矩—液力耦合器泵輪力矩—所在軸段摩擦力矩以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性系統(tǒng)，用于求解柴油機(jī)所在高速軸的轉(zhuǎn)速；第2個(gè)方程包含液力耦合器渦輪力矩—齒輪箱摩擦力矩—所在軸段摩擦力矩—調(diào)距槳力矩以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性系統(tǒng)，用于求解螺旋槳所在低速軸的轉(zhuǎn)速。平動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程只有一個(gè)，包含螺旋槳推力、船體阻力（包含舵、不工作推進(jìn)軸拖槳等的附加阻力）和船體平動(dòng)慣性系統(tǒng)，用于求解船航速。

由于該推進(jìn)系統(tǒng)建模對(duì)象很多，每個(gè)部件的建模方法各不相同且都較為復(fù)雜，出于篇幅考慮，在此均不詳細(xì)展開，可參看文獻(xiàn)［8］。本文及文獻(xiàn)［8］中數(shù)學(xué)建模所需的參數(shù)均來自設(shè)計(jì)部門和設(shè)備制造廠商，數(shù)學(xué)模型的數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果也已經(jīng)過實(shí)船試航數(shù)據(jù)校驗(yàn)，證明了數(shù)學(xué)模型可信、數(shù)值預(yù)報(bào)方法可行。

2 單軸工作制

一般情況下，現(xiàn)在的艦船推進(jìn)裝置都用主機(jī)遙控系統(tǒng)在駕駛室或集控室實(shí)施遠(yuǎn)程操縱控制。為保證各檔車令，航速所需要的“轉(zhuǎn)速—調(diào)距槳螺距”匹配關(guān)系（俗稱“聯(lián)控曲線”）都存儲(chǔ)在控制計(jì)算機(jī)內(nèi)。所以，在設(shè)計(jì)階段要確定各工作制下各檔車令的聯(lián)控曲線，而聯(lián)控曲線的確定則來源于“船—槳—機(jī)”匹配的基本原理，即在滿足規(guī)范要求的前提下（如推進(jìn)裝置各部件安全可靠工作、主機(jī)留有必要功率儲(chǔ)備），充分挖掘主機(jī)做功能力，使艦船快速性最優(yōu)。

本文所研究的CODAD推進(jìn)裝置的正常工作制是指正常阻力狀態(tài)下的四機(jī)雙軸在設(shè)計(jì)螺距下的自由直線航行。圖2給出了國外設(shè)計(jì)的某CODAD調(diào)距槳推進(jìn)裝置（雙軸配置，每軸2臺(tái)柴油機(jī)并車驅(qū)動(dòng)）正常工作制時(shí)的聯(lián)控曲線，從中可看到設(shè)計(jì)螺距與主機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的匹配。

圖2 國外某CODAD調(diào)距槳推進(jìn)裝置的聯(lián)控曲線Fig.2 Overseas combined control curve of CODAD propulsion

單軸工作制是驅(qū)護(hù)艦的特殊工作制。單軸工作制時(shí)，工作的推進(jìn)軸有單機(jī)工作和雙機(jī)工作兩種情況，不工作的推進(jìn)軸有可能是自由旋轉(zhuǎn)或鎖軸兩種狀態(tài)之一。所以，單軸工作制時(shí)共有4種不同工況的選項(xiàng)。本文將僅選其中之一的“雙機(jī)驅(qū)動(dòng)、不工作軸自由旋轉(zhuǎn)且為減小拖槳阻力而將螺距置于最大螺距位置”為例，用仿真計(jì)算來分析機(jī)—槳匹配情況，以確定機(jī)—槳聯(lián)控曲線的設(shè)計(jì)原則。

如果將所選例子的單軸工作制繼續(xù)采用正常工作制時(shí)的聯(lián)控曲線，即各檔車令轉(zhuǎn)速下仍使用設(shè)計(jì)螺距，則運(yùn)用仿真計(jì)算得到的螺旋槳特性曲線如圖3所示。從中可以看到，在低、中轉(zhuǎn)速時(shí)主機(jī)功率急劇增大，以致主機(jī)轉(zhuǎn)速在750 r/min時(shí)就出現(xiàn)了主機(jī)超負(fù)荷現(xiàn)象。分析其原因，是因?yàn)榇藭r(shí)的單軸工作制“機(jī)—槳”聯(lián)控曲線的螺距對(duì)主機(jī)來說是“重載”了。通俗地說，即原先雙軸推進(jìn)所用的螺距繼續(xù)用于單軸推進(jìn)的主機(jī)，對(duì)于單軸推進(jìn)的工作主機(jī)來說太大了，以致于主機(jī)負(fù)荷隨轉(zhuǎn)速急劇增大，在主機(jī)轉(zhuǎn)速尚未到達(dá)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1050 r/min就超負(fù)荷了。

圖3 單軸雙機(jī)、使用正常工況時(shí)聯(lián)控曲線的螺旋槳特性曲線Fig.3 Propeller curve in mode of one shaft driven by two engines with normal combined control curve applied

要改變此時(shí)單軸工作制的重載狀態(tài)，唯一的辦法就是減小調(diào)距槳的螺距，重要的是減小至何值。根據(jù)文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)果、國外慣例及國軍標(biāo)的規(guī)定，提出了單機(jī)工作制聯(lián)控曲線設(shè)計(jì)螺距的確定原則：主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，調(diào)距槳所選擇的螺距值要保證主機(jī)發(fā)出的功率在加上功率儲(chǔ)備值后等于主機(jī)最大持續(xù)功率（Maximum Continuous Ratings，MCR）。

該原則的優(yōu)點(diǎn)是：主機(jī)做功能力得到充分發(fā)揮，艦船潛在快速性得以挖掘；按規(guī)范留下了必要的功率儲(chǔ)備，保證了主機(jī)安全?；谠撛瓌t，通過仿真計(jì)算所得的螺旋槳特性曲線如圖4所示。將圖4與圖3進(jìn)行對(duì)比可以看出，圖4的聯(lián)控曲線使得主機(jī)能工作在更高轉(zhuǎn)速并發(fā)出更大功率，因而艦船能獲得更大的最高航速。

圖4 單軸雙機(jī)推進(jìn)、“量身定制”的最優(yōu)聯(lián)控曲線所對(duì)應(yīng)的螺旋槳特性曲線Fig.4 Propeller curve in mode of one shaft driven by two engines with special design combined control curve applied

如上所述，單軸工作制有4種工況：“工作軸雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，不工作軸自由拖轉(zhuǎn)”、“工作軸雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，不工作軸鎖軸”、“工作軸單機(jī)驅(qū)動(dòng)，不工作軸自由拖轉(zhuǎn)”、“工作軸單機(jī)驅(qū)動(dòng)，不工作軸鎖軸”。由于工作主機(jī)的數(shù)量不同，不工作螺旋槳的拖槳阻力不同，不同最高航速所需要的修正單軸推進(jìn)偏航的舵角也不同，從而導(dǎo)致附加舵阻力不同，所以每一種工況下的工作主機(jī)所對(duì)應(yīng)的聯(lián)控曲線是不相同的，用仿真方法可以方便地確定這些聯(lián)控曲線。經(jīng)實(shí)船考核，這些聯(lián)控曲線均有效，達(dá)到了仿真研究的目的。

3 三機(jī)工作制

四機(jī)雙軸CODAD推進(jìn)裝置大多使用以下兩種工作制：“雙軸推進(jìn)、每軸單機(jī)”（低、中航速使用）和“雙軸推進(jìn)、每軸雙機(jī)”（高航速使用）。最初該項(xiàng)目的研究者在提出三機(jī)工作制時(shí)并不為多數(shù)人看好，認(rèn)為在現(xiàn)實(shí)使用中不可能有三機(jī)工作制。事實(shí)上，在某新船一次試航中，有一臺(tái)柴油機(jī)因發(fā)生大故障而無法使用，此時(shí)又需高速從試航海區(qū)行駛至某一目的地，唯一的辦法就是使用三機(jī)工作制。試航人員試用了“雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速高并且螺距大、單機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速低而螺距小”的工作制，結(jié)果出現(xiàn)了船尾部振動(dòng)十分劇烈的異?，F(xiàn)象。最后，試航人員選用了本項(xiàng)目研究人員早已提出的三機(jī)工作制聯(lián)控曲線，結(jié)果得到了既高速航行又無尾部劇烈振動(dòng)的航行效果。自此以后，三機(jī)工作制才被認(rèn)識(shí)到是艦船推進(jìn)裝置使用中必須考慮的特殊工作制。

三機(jī)工作制的聯(lián)控曲線（圖5）也是運(yùn)用仿真方法獲取的，相應(yīng)的聯(lián)控曲線的設(shè)計(jì)原則類似于單軸工作制的情況：無論是單機(jī)驅(qū)動(dòng)軸還是雙機(jī)驅(qū)動(dòng)軸，主機(jī)都工作在額定轉(zhuǎn)速，每軸的調(diào)距槳螺距值保證在額定轉(zhuǎn)速下發(fā)出的功率加上功率儲(chǔ)備等于MCR；各車令時(shí)，3臺(tái)主機(jī)的轉(zhuǎn)速相同或等速率變速。

該設(shè)計(jì)原則的優(yōu)點(diǎn)是：既充分發(fā)揮了主機(jī)做功能力，艦船快速性得以充分發(fā)揮，按規(guī)范又留有功率儲(chǔ)備，保證了主機(jī)安全；3臺(tái)主機(jī)轉(zhuǎn)速相同，保證了最少的外界激勵(lì)力頻率，不易引起船體振動(dòng)。同時(shí)，因?yàn)?臺(tái)主機(jī)的工作轉(zhuǎn)速相同，也方便了機(jī)電部門的值班管理。分析前述“雙機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速高并且螺距大、單機(jī)驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速低而螺距小”的工作制所導(dǎo)致的船尾劇烈振動(dòng)的異?，F(xiàn)象的原因，主要是兩軸的推力不等、螺旋槳力矩不等，而且3臺(tái)主機(jī)的轉(zhuǎn)速也不等、兩推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速不等，后者導(dǎo)致干擾力頻率異常豐富，和船體自振接近或一致時(shí)就會(huì)引起船體，即尾部的強(qiáng)烈共振。

圖5 三機(jī)工作制所對(duì)應(yīng)的每臺(tái)機(jī)的螺旋槳特性曲線Fig.5 Propeller curve in mode of three engines operating with a special design combined control curve applied

4 結(jié) 論

基于“船—槳—機(jī)”匹配原理，運(yùn)用經(jīng)過校驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型和仿真方法，研究了某CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置單軸工作制（4種情況）和三機(jī)工作制的聯(lián)控曲線，提出了聯(lián)控曲線的一般設(shè)計(jì)原則：不論是單軸工作還是雙軸工作，每一軸不論是單機(jī)驅(qū)動(dòng)還是雙機(jī)驅(qū)動(dòng)，主機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速時(shí)所選擇的調(diào)距槳螺距值要保證主機(jī)在該轉(zhuǎn)速下發(fā)出的功率加上功率儲(chǔ)備正好等于最大持續(xù)功率MCR。這一原則既能保證主機(jī)做功能力的充分挖掘，使艦船有能力獲得最大快速性，同時(shí)也可確保主機(jī)不超載而安全工作；各臺(tái)工作主機(jī)的等速率變速和各檔車令的等轉(zhuǎn)速設(shè)置既能保證推進(jìn)系統(tǒng)外界干擾力的頻率最少，不易引起船體或軸系共振，也便于機(jī)電部門對(duì)主機(jī)的操控和管理（這是因?yàn)榇藭r(shí)各主機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷都是相同的，不必區(qū)分單軸還是雙軸、單機(jī)還是雙機(jī)）。該設(shè)計(jì)原則已用于某船的單軸工作制和三機(jī)工作制，并且經(jīng)實(shí)船試航均已得到驗(yàn)證。本研究結(jié)果可為今后該類艦船推進(jìn)裝置聯(lián)控曲線設(shè)計(jì)提供有益的參考。

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