船舶動力系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

王得山

（蓬萊中柏京魯船業(yè)有限公司， 山東 煙臺 265601）

船舶的發(fā)展史就是其動力系統(tǒng)的發(fā)展進化史，動力系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到整個艦船的安全穩(wěn)定航行。正是因為船舶的動力系統(tǒng)對于船舶至關(guān)重要，對于動力系統(tǒng)的改造優(yōu)化也就成為船舶設(shè)計中值得重點關(guān)注和研究的問題。對于動力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，既要堅持科學(xué)的原則，又要根據(jù)船舶具體的類型和航行特點有所針對性，從而實現(xiàn)對船舶動力系統(tǒng)配置的合理優(yōu)化。動力系統(tǒng)優(yōu)化的主要方向就是對于能源控制技術(shù)的改良優(yōu)化。不同的能源動力系統(tǒng)采用的控制技術(shù)也完全不同，對于船舶的航行速度，航行穩(wěn)定性和航行安全性的要求也與日俱增，需要通過更加先進的方法對于船舶的動力系統(tǒng)進行全面的優(yōu)化升級改造。在這樣的背景下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為目前人工智能領(lǐng)域最為常見的智能算法脫穎而出。

1 船舶動力系統(tǒng)的概念闡述

主要動力系統(tǒng)和輔助配套系統(tǒng)是構(gòu)成船舶前進驅(qū)動的兩大部分，這兩部分相互協(xié)調(diào)工作，都需要進行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計。

1.1 主要裝置

主動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機，其中又涵蓋了原始動力系統(tǒng)和輔助動力系統(tǒng)，原始動力系統(tǒng)又包括燃氣輪機，汽油機，傳動系統(tǒng)主要包括主推器，還有推進器，螺旋槳，泵式推進器，這部分結(jié)構(gòu)主要功能是實現(xiàn)船舶的動力能轉(zhuǎn)換。除此以外，配套裝置還有離合器，減速器，管系設(shè)備以及軸系設(shè)備等。這些設(shè)備是為了保障傳動裝置能夠更穩(wěn)定的運行，同時能夠保障船舶發(fā)揮良好的轉(zhuǎn)向、制動和減震的作用。

1.2 輔助裝置

除了原動系統(tǒng)，配套系統(tǒng)也是發(fā)動機必不可少的組成部分，發(fā)電機，鍋爐和自動化操控裝置構(gòu)成了發(fā)動機配套系統(tǒng)，這些裝置的主要目的是為了實現(xiàn)船舶的良好可操控性。

1.3 配置優(yōu)化方案

眾多精密復(fù)雜的機電設(shè)備組成的電氣化系統(tǒng)構(gòu)成了整個動力系統(tǒng)，這就會出現(xiàn)一個嚴重的設(shè)備間干擾問題。特別是大型電器設(shè)備運行會形成磁場，對于周圍電器設(shè)備運行，特別是精密的設(shè)備運行產(chǎn)生影響。這就需要對于整個主動力系統(tǒng)電氣系統(tǒng)進行設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造。為此需要配套不同的子系統(tǒng)，并且諸多子系統(tǒng)都要按照同樣的原則進行設(shè)計，才能避免系統(tǒng)間內(nèi)擾動，具體的國際標準系統(tǒng)設(shè)計方案如下：1） 首先對于動力系統(tǒng)目標進行優(yōu)化，明確船舶動力系統(tǒng)所需要完成的目標需求，進行針對優(yōu)化設(shè)計，主要從動力和經(jīng)濟兩方面考慮，同時還需要兼顧安全和穩(wěn)定性能；2） 進一步明確船舶所需要承載負荷需求，同時考慮船舶主要日常用途，航行線路特點以及特定性需求等；3） 根據(jù)船舶歸屬國家相關(guān)船舶設(shè)計規(guī)定，對于船舶的性能進行進一步的對比設(shè)計，制定一系列約束條件，從而保障船舶設(shè)計的合理性；4）根據(jù)之前確定好的最佳方案參數(shù)，在將技術(shù)可行性，建造成本，建造時間和性能指標等附加條件納入考慮范圍，最終確定船舶的動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。

2 船舶油電混合動力系統(tǒng)選型與布置

本文選用一艘船長20m 的公務(wù)艇，該船主要用于嘉陵江水域海事巡邏和港口航道管理，型深1.9m，吃水1.0m，滿載排水量26.92t，全船鋼制焊接，船舭部為半折角線型。根據(jù)動力系統(tǒng)改造任務(wù)書，公務(wù)艇續(xù)航力為20h，要求滿載排水量下，柴油機、電動機聯(lián)合推進時航速為30km/h；在純電力推進模式下，續(xù)航時間需大于2h，巡航速度為14km/h。

基于油電混合動力不同配置形式的特點，采用節(jié)能效果良好且易于改造的并聯(lián)系統(tǒng)對該船的動力系統(tǒng)進行改造設(shè)計，該系統(tǒng)主要由蓄電池、軸帶電機、柴油機、動力分離/合成裝置、能量管理模塊和螺旋槳等組成。本文所設(shè)計的動力系統(tǒng)由柴油機和直流軸帶電機共同驅(qū)動螺旋槳，電機前設(shè)有一個控制器，用于電池端電壓和直流電機電樞電壓的轉(zhuǎn)換；柴油機和電機后面直接連接轉(zhuǎn)矩分離/合成器，該轉(zhuǎn)矩合成器通過內(nèi)置行星齒輪來實現(xiàn)柴油機和電機轉(zhuǎn)矩疊加，或者柴油機轉(zhuǎn)矩的分離，行星齒輪能夠有效的實現(xiàn)動力的輸入和輸出，且兩者之間的運動相互不影響。此外，行星齒輪還具有質(zhì)量小、體積小、傳動比大、承載能力大、傳動平穩(wěn)和傳動效率高等優(yōu)點。轉(zhuǎn)矩分離/合成器也設(shè)變速齒輪，故而轉(zhuǎn)矩分離/合成器也是一個減速箱，該裝置的詳細設(shè)計和制造由重慶齒輪箱公司完成。轉(zhuǎn)矩合成器中輸出的轉(zhuǎn)矩直接傳遞給螺旋槳推動船舶。該系統(tǒng)有4 種工作模式可供選擇，不同的工作模式對應(yīng)不同的柴油機狀態(tài)和蓄電池狀態(tài)。本設(shè)計中，船舶遠距離正常航行時，柴油機在額定功率下單獨推進船舶；巡航過程由于慢速航行時，柴油機以額定功率運行，柴油機發(fā)出的多余功率可用于發(fā)電給蓄電池充電。

3 結(jié)語

將油電混合動力系統(tǒng)應(yīng)用負載變化大的船舶上，相對于常規(guī)動力船，可有效降低船舶的柴油消耗和污染物排放。基于當前油電混合動力系統(tǒng)的研究成果，本文將并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)應(yīng)用于一艘船長20m 的內(nèi)河公務(wù)艇，為實現(xiàn)柴油機和電機轉(zhuǎn)矩疊加和輸出，本設(shè)計船中將行星齒輪內(nèi)置到轉(zhuǎn)矩合成器中，通過行星齒輪，有效、緊湊和平穩(wěn)的完成了動力的輸入輸出。此外，為有效提高混合動力系統(tǒng)的運行效率和工作模式的切換，設(shè)計中采用模糊邏輯控制策略來對全船的動力系統(tǒng)進行控制管理。經(jīng)計算，設(shè)計船的運行成本和污染物排放量相對同等船型降低了8.6%和10.48%，油電混合動力船節(jié)能減排優(yōu)勢明顯。