某氣墊船動力系統(tǒng)仿真研究

彭 磊

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船是一種現(xiàn)代高性能船舶，依靠墊升風(fēng)機向船體底部圍裙包絡(luò)面內(nèi)快速充入壓力空氣，將船體抬升至完全脫離水面或陸地，減小船體所受的阻力，同時依靠空氣螺旋槳推進，使船體可以在水面或陸地上高速航行。全墊升氣墊船具有超淺吃水、靜水快速性好、兩棲性好等優(yōu)點，在軍用運輸和民用運輸方面均具有廣泛的用途。

全墊升氣墊船的動力系統(tǒng)與常規(guī)艦船差別較大，一般中大型氣墊船均以燃?xì)廨啓C作為主動力裝置，驅(qū)動空氣螺旋槳和墊升風(fēng)機。大部分氣墊船的傳動形式為機槳扇串聯(lián)直接傳動，采用機槳扇聯(lián)合操縱控制系統(tǒng)；也有部分氣墊船采用推進與墊升系統(tǒng)分離獨立運行的傳動形式，機槳與機扇各自匹配控制。目前國內(nèi)有不少有關(guān)機槳扇串聯(lián)直接傳動的氣墊船動力系統(tǒng)性能仿真研究［1-2］，且以實船試驗結(jié)果對仿真計算值進行修正，大大提高了仿真精度，但對采用機槳與機扇獨立分離運行的氣墊船動力系統(tǒng)性能仿真的研究則較少。由于傳動形式的不同，其控制系統(tǒng)設(shè)計也大不相同。因此，為更全面了解和掌握具有不同傳動形式的氣墊船動力系統(tǒng)性能，為氣墊船動力控制系統(tǒng)的設(shè)計提供參考，有必要開展某氣墊船動力系統(tǒng)性能仿真研究。

本文以某全墊升氣墊船為研究對象，該氣墊船采用推進與墊升系統(tǒng)分隔運行的傳動形式，通過對該船動力系統(tǒng)建模，利用仿真方法進行計算分析，研究該船動力系統(tǒng)性能。

1 動力系統(tǒng)模型

1.1 物理模型

本文的研究對象是某全墊升氣墊船的動力系統(tǒng)和船體運動特性，動力系統(tǒng)包括推進與墊升燃?xì)廨啓C、墊升風(fēng)機、空氣螺旋槳、螺旋槳減速器、螺距控制單元和風(fēng)機控制單元等，船體運動特性包括艇體、海況等內(nèi)容。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖參見圖1。

1.2 燃?xì)廨啓C數(shù)學(xué)模型

該氣墊船采用的燃?xì)廨啓C由進氣道、低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪以及排氣道組成，功率為前端輸出，其工作原理如圖2所示。

圖2 燃?xì)廨啓C工作原理圖

該氣墊船所選燃?xì)廨啓C的功率特性曲線如下頁圖3所示。

根據(jù)圖3，可擬合得到燃?xì)廨啓C數(shù)學(xué)模型公式：

式中：Ne為燃機實際功率，kW； gk為工況；ne為動力渦輪實際轉(zhuǎn)速，r/min；neopt為最佳動力渦輪轉(zhuǎn)速（圖3中每條拋物線最高點對應(yīng)的橫坐標(biāo)值），r/min。

圖3 燃?xì)廨啓C功率-轉(zhuǎn)速特性曲線

1.3 推進系統(tǒng)模型

1.3.1 空氣變距螺旋槳模型

根據(jù)風(fēng)洞試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到螺旋槳的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Tp為螺旋槳推力，kN；φ為螺距角，°；V為空氣來流速度，m/s；np為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；npmax為螺旋槳最大轉(zhuǎn)速，r/min；Np為螺旋槳功率，kW。

1.3.2 推進軸系運動學(xué)模型

推進減速器的效率取0.98，則推進軸系的數(shù)學(xué)模型為：

1.4 墊升系統(tǒng)模型

1.4.1 墊升風(fēng)機模型

根據(jù)該氣墊船墊升風(fēng)機縮尺模型試驗得到墊升風(fēng)機的無因次特性曲線，可計算墊升風(fēng)機的吸收功率為：

式中：Nf為風(fēng)機吸收功率，kW；Qf為風(fēng)機流量，m3/s；ηf為風(fēng)機效率，一般取0.85；風(fēng)機壓力為風(fēng)機轉(zhuǎn)速，r/min。

1.4.2 墊升軸系運動學(xué)模型

單舷墊升軸系為1臺燃機通過1臺中間減速器、數(shù)個中間支撐以及2臺墊升風(fēng)機減速器，分別驅(qū)動2臺軸流式墊升風(fēng)機。由于軸系較長，故中間支撐較多，單舷墊升軸系有8個中間支撐軸承。墊升系統(tǒng)中各減速器效率均取0.98，軸承效率取0.997，因此墊升軸系運動學(xué)模型為：

式中：Mf為墊升風(fēng)機扭矩（折算至燃機輸出端），N·m，；if為墊升風(fēng)機與燃機間減速比；I2為墊升軸系轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

1.5 機槳扇控制系統(tǒng)模型

該氣墊船推進系統(tǒng)與墊升系統(tǒng)獨立運行，控制系統(tǒng)采用機槳與機扇分開控制的模式，控制模型由三部分組成：一塊是燃機啟動階段的時序控制模型，一塊是燃機轉(zhuǎn)速控制模型，另一塊是螺旋槳變距操縱控制模型。

在研究中對該氣墊船的控制模型采用增量式PID控制器，與傳統(tǒng)位置式PID控制器相比，不必采用以往誤差值的累加量，只需考慮誤差值的增量，可使誤動作時造成的影響較小，也容易通過加權(quán)處理得到比較理想的控制效果［3］。

1.6 船體阻力模型

全墊升氣墊船運行于水氣界面，船體所受阻力較復(fù)雜，其靜水阻力一般可表示為［4-5］：

式中：Ra為空氣型阻力，kN；Rm為動量阻力，kN；Rz為氣墊興波阻力，kN；Rse為縱傾阻力，kN；Rsw為圍裙?jié)袼枇Γ琸N為圍裙興波阻力，kN為風(fēng)浪中型阻力增量，kN為風(fēng)浪動量阻力增量，kN； 為風(fēng)浪中圍裙?jié)袼枇υ隽浚琸N。以上各阻力通過相應(yīng)的經(jīng)驗公式計算，然后根據(jù)試驗進行修正。

1.7 船體運動學(xué)模型

根據(jù)牛頓第二定律，該船體的運動學(xué)模型為：

式中：α為推力減額系數(shù)，一般取0.05；Vs為船的絕對速度，m/s；m為船的質(zhì)量，kg。

2 仿真方法及驗證

氣墊船動力系統(tǒng)是一個非線性、非定常系統(tǒng)，各部分的時間常數(shù)相差很大。因此，本文采用Ode5（Dormand-Prince）法對該氣墊船動力系統(tǒng)進行動態(tài)仿真。仿真軟件以Matlab語言及Simulink工具箱為基礎(chǔ)，并結(jié)合該氣墊船的部分參數(shù)所研發(fā)。［6］圖4 -圖6為所研發(fā)的仿真框圖。

圖4 燃機起動仿真模型

圖5 墊升系統(tǒng)仿真模型

圖6 變工況仿真模型

在進行系統(tǒng)仿真計算前，對整個動力系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進行驗證，選取氣墊船典型工況和參數(shù)設(shè)定值（取0～1級海況，動力渦輪轉(zhuǎn)速7 200 r/min），將系統(tǒng)仿真結(jié)果與實船試驗結(jié)果進行比較分析。比較結(jié)果參見表1。

由表1可知，系統(tǒng)仿真結(jié)果與實船試驗結(jié)果偏差較小；取其他典型工況和海況條件，系統(tǒng)仿真計算的結(jié)果也與試驗結(jié)果基本吻合，可以驗證本文所建仿真模型合理有效。

表1 系統(tǒng)仿真計算和實船試驗結(jié)果比較

3 動力系統(tǒng)動態(tài)仿真研究

3.1 起動過程模擬仿真

該氣墊船起動過程可分為兩個階段：第一是燃機起動過程，需要將該氣墊船的所有燃機起動并進入慢車暖機狀態(tài)，直至暖機結(jié)束。此時氣墊船具備了出航的條件，但仍無法立即加速航行。第二個階段是該氣墊船墊升過程，即通過升高驅(qū)動墊升風(fēng)機的燃機動力渦輪轉(zhuǎn)速至某特定的轉(zhuǎn)速值，使氣墊船達到所需的墊升高度，確保船的阻力處于較小的狀態(tài)。此后，只要提高推進工況，氣墊船即可快速航行。整個起動過程仿真參見圖7和圖8。

圖7 燃機起動過程仿真結(jié)果

從圖7可以看出，燃機起動過程中低壓渦輪先旋轉(zhuǎn)，到一定時間高壓渦輪也被帶轉(zhuǎn)，最后是動力渦輪被帶轉(zhuǎn)，低壓渦輪、高壓渦輪、動力渦輪轉(zhuǎn)速升高至一定值后保持穩(wěn)定，即燃機進入慢車暖機階段。從圖8可見，墊升過程剛開始時，燃機功率大于兩臺風(fēng)機功率的總和，主要是因為風(fēng)機軸系的轉(zhuǎn)動慣量較大，功率傳遞存在一定的延遲效應(yīng)；但當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值時，燃機的輸出功率與兩臺風(fēng)機的功率總和基本一致。

3.2 正常航行中變工況模擬仿真

距角，從而模擬氣墊船動力系統(tǒng)動態(tài)性能。對靜水加速航行的仿真結(jié)果參見下頁圖9。

在氣墊船正常航行中，常用的操縱方式是保持墊升狀態(tài)和推進軸系轉(zhuǎn)速不變，僅依靠調(diào)節(jié)螺距角來實現(xiàn)氣墊船加減速。因此本文在正常航行變工況模擬仿真中假設(shè)墊升工況不變，推進軸系也維持在某一轉(zhuǎn)速下，在一定時間內(nèi)以1°/ s的速度增加螺

圖8 墊升過程仿真結(jié)果

圖9中兩條曲線表示在按1°/ s增加螺距角的操作下，對應(yīng)的兩個不同最終螺距角狀態(tài)。從圖中可見，在增加螺距角后，螺旋槳推力、功率及船的航速都相應(yīng)增加，且螺距角增加越大，其對應(yīng)的螺旋槳推力、功率和船的航速也越高。另外，從圖中還可以看出，在500 s以下時，氣墊船處于低速航行狀態(tài)；而在600 s以后，航速快速增加，直至對應(yīng)螺距與推力的穩(wěn)定航速。其主要是因為氣墊船在這段時間內(nèi)有一個越阻力峰的過程，氣墊船只有越出阻力峰后才能達到較高航速。

圖9 正常航行變工況仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

本文在建立某氣墊船動力系統(tǒng)仿真模型，并驗證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink軟件，仿真計算該氣墊船在起動過程和正常航行中變工況過程的動力系統(tǒng)動態(tài)性能。其仿真結(jié)果有助于了解該氣墊船的動力系統(tǒng)性能，并能對氣墊船動力系統(tǒng)控制裝置的設(shè)計提供一些參考。事實上，氣墊船在波浪中航行時的運動模型遠(yuǎn)比文中采用的模型更為復(fù)雜得多。目前對于氣墊船動力系統(tǒng)的仿真研究大多采用簡單的一維模型，因此，對于氣墊船動力系統(tǒng)性能的仿真研究尚有待于進一步加強并完善。

［參考文獻］

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［3］曾豪勇，周思柱，易文君.基于MATLAB的增量式PID參數(shù)整定［J］.工業(yè)控制計算機，2014（6）：69-70.

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［6］王海燕，胡以懷.輪機系統(tǒng)仿真技術(shù)［M］.上海：上海浦江教育出版社，2013：21-39.