基于調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性仿真

劉 琦，劉云生，敖晨陽，宋漢江，霍柏琦

(中國人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161)

0 概 述

可調(diào)螺距螺旋槳（簡稱調(diào)距槳）是螺旋槳推進(jìn)型式中的一種，在主機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向一定時(shí)，通過改變調(diào)距槳的螺距角或轉(zhuǎn)速，能使船舶由停車到最大航速內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，獲得任何一種航速，具有操縱性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。當(dāng)船舶推進(jìn)裝置采用調(diào)距槳作為動(dòng)力輸出時(shí)，在高速航行的情況下對(duì)外界負(fù)荷的變化非常敏感，其性能對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)整體效率有很大的影響。船舶實(shí)際航行時(shí)是否可以達(dá)到設(shè)計(jì)工況下的各種動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，以及在航行和作業(yè)工況偏離設(shè)計(jì)工況以后，如何選擇合理的主機(jī)轉(zhuǎn)速、螺距比等參數(shù)以實(shí)現(xiàn)船、機(jī)、槳的最佳匹配，都直接關(guān)系到船舶的整體性能。而推進(jìn)系統(tǒng)又是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，無法用常規(guī)的方法進(jìn)行分析。因此，開展基于調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性仿真研究十分必要[2]。

本文采用系統(tǒng)模塊化的建模思路，利用機(jī)理建模、經(jīng)驗(yàn)公式擬合等手段建立了包括柴油機(jī)、齒輪箱、軸系、調(diào)距槳等子系統(tǒng)在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型，在Sim-ulink軟件平臺(tái)上進(jìn)行仿真建模并完成了各工況下的穩(wěn)態(tài)特性研究，分析船、機(jī)、槳匹配參數(shù)對(duì)船舶動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響，可為后期實(shí)船試驗(yàn)的相關(guān)工作提供技術(shù)支撐。

1 推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1.1 柴油機(jī)

將柴油機(jī)動(dòng)力裝置簡化成由2個(gè)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(柴油機(jī)和負(fù)載)和一個(gè)無慣性的聯(lián)接軸所組成的當(dāng)量系統(tǒng)，則柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程為[3]：

柴油機(jī)指示扭矩計(jì)算公式為：

柴油機(jī)機(jī)械效率計(jì)算公式為：

1.2 齒輪箱

從運(yùn)動(dòng)傳遞角度來看，減速齒輪箱模型可用轉(zhuǎn)速的減速比i來表示，即柴油機(jī)軸與螺旋槳之間轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在以下關(guān)系[4]：

1.3 軸系

設(shè)同一機(jī)組的各部件性能參數(shù)基本一致，則槳軸動(dòng)力學(xué)方程為：

軸系當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為：

1.4 調(diào)距槳

上述是螺旋槳在敞水中的水動(dòng)力特性，實(shí)際上，螺旋槳在工作中會(huì)受到船體尾部流場(chǎng)的影響，同時(shí)反作用于船體尾部流場(chǎng)，這樣就進(jìn)一步產(chǎn)生了推力減額和伴流現(xiàn)象。螺旋槳有效推力和進(jìn)速為：

螺距系數(shù)采用Donnelly公式計(jì)算[6]：

2 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

圖 1 推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型Fig. 1 The simulation model of Propulsion system

以中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的四機(jī)雙軸雙槳推進(jìn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，由4臺(tái)主機(jī)、2套并車減速齒輪箱、2套軸系及調(diào)距槳組成。結(jié)合該推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)典型工況設(shè)置的穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)，選取四機(jī)雙槳、雙機(jī)雙槳、雙機(jī)單槳（另一槳鎖軸）3種工況，對(duì)其穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行仿真計(jì)算。穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)的主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距比如表1所示。

表 1 穩(wěn)態(tài)控制參數(shù)Tab. 1 Steady-state control parameters

依據(jù)上述章節(jié)中各模塊的數(shù)學(xué)模型，基于Simulink仿真環(huán)境建立推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 四機(jī)雙槳運(yùn)行工況

推進(jìn)系統(tǒng)在4臺(tái)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)雙軸雙槳運(yùn)行工況下可獲得最大的主機(jī)功率和最大航速，其仿真結(jié)果如表2和表3所示。

3.2 雙機(jī)雙槳運(yùn)行工況

推進(jìn)系統(tǒng)在雙機(jī)雙槳運(yùn)行工況下的仿真結(jié)果如表4和表5所示。

表 2 四機(jī)雙槳航速仿真結(jié)果Tab. 2 The simulation speed result of four-engines double-propellers

表 3 四機(jī)雙槳主機(jī)功率仿真結(jié)果Tab. 3 The simulation power result of four-engines double-propellers

表 4 雙機(jī)雙槳航速仿真結(jié)果Tab. 4 The simulation speed result of double-engines double-propellers

3.3 雙機(jī)單槳運(yùn)行工況

推進(jìn)系統(tǒng)在雙機(jī)單槳運(yùn)行工況下，另一槳處于鎖軸狀態(tài)，其仿真結(jié)果如表6和表7所示。

表 5 雙機(jī)雙槳主機(jī)功率仿真結(jié)果Tab. 5 The simulation power result of double-engines double-propellers

表 6 雙機(jī)單槳航速仿真結(jié)果表Tab. 6 The simulation speed result of double-engines single-propeller

表 7 雙機(jī)單槳主機(jī)功率仿真結(jié)果Tab. 7 The simulation power result of double-engines single-propeller

4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，選取四機(jī)雙槳工況下螺距比為1.02時(shí)的航速仿真結(jié)果與船模試驗(yàn)中的航速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。

圖 2 四機(jī)雙槳工況下仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 2 Comparison of simulation and test results under the condition of four-engines double-propellers

通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為480 r/min時(shí)，仿真結(jié)果略高于試驗(yàn)結(jié)果，且差別較小。在其他幾種轉(zhuǎn)速工況下，仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，說明所建立的計(jì)算模型及初始邊界條件設(shè)置較為合理，可以模擬實(shí)際情況。

5 結(jié) 語

1）綜合利用機(jī)理建模、經(jīng)驗(yàn)公式擬合等手段，針對(duì)調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)建立船-機(jī)-槳數(shù)學(xué)模型，并基于Simulink仿真環(huán)境構(gòu)建了系統(tǒng)仿真模型，主要包括車令、調(diào)速器、柴油機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳等模塊。

2）利用船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，并基于典型設(shè)計(jì)的四機(jī)雙槳、雙機(jī)雙槳、雙機(jī)單槳3種工況下的系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算，得到各個(gè)方案下的全船航速和主機(jī)功率，分析了船、機(jī)、槳匹配參數(shù)對(duì)船舶動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響。

3）當(dāng)螺距比一定時(shí)，隨著推進(jìn)主機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，全船航速隨之呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；當(dāng)推進(jìn)主機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著螺距比減小，全船航速變得越來越??；合理選取主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺旋槳螺距比時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全船的最大航速。