利用MATLAB SIMULINK進(jìn)行船-泵-機(jī)匹配仿真

陳萬宏 毛福考 何秦珊

摘要：本文根據(jù)船舶阻力和選定的主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速及初步布置，利用噴水推進(jìn)理論，借助MATLAB SIMULINK仿真軟件建立“船-泵-機(jī)”匹配的仿真模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算。將其與CFD仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明該仿真方法能較好的解決“船-泵-機(jī)”匹配問題。

關(guān)鍵詞：MATLAB SIMULINK；船-泵-機(jī)匹配；噴水推進(jìn)

中圖分類號(hào)：U664.34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Matching Of Ship-Waterjet-Engine By Using Matlab Simulink

CHEN Wanhong,MAO Fukao,HE Qinshan

( Guangzhou Marine Engineering Corporation,Guangzhou 510250 )

Abstract: according ship resistance and power & speed of the main engine, use the theory of water jet, built the emulation mode of "ship-water jet-engine" by using MATLAB SIMULINK and calculate it, compare the simulation result with the calculation result of CFD, the result show simulation can solve the question of matching of ship-water jet-engine well.

Key words: Matlab Simulink;Matching of Ship-Water Jet-Engine;Water Jet

1前言

噴水推進(jìn)作為一種特殊的船舶推進(jìn)裝置，與常見的螺旋槳推進(jìn)方式不同，其推力是通過推進(jìn)水泵噴出水流的反作用力來獲得，并通過操縱及導(dǎo)航設(shè)備改變噴流方向來實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的操縱。噴水推進(jìn)具有抗空泡能力強(qiáng)、附體阻力小、噪音低、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)變工況能力強(qiáng)、船舶操縱性能佳等特點(diǎn)，尤其在淺吃水、無舵軸和尾軸架等附件條件下比螺旋槳推進(jìn)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。典型的噴水推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)，主要由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、推進(jìn)水泵、流道系統(tǒng)、導(dǎo)航操縱等設(shè)備組成。

所謂船-泵-機(jī)匹配，是指研究和調(diào)整船體（航速）、噴水推進(jìn)泵（負(fù)載）、主機(jī)（運(yùn)行范圍）三者之間的關(guān)系，使推進(jìn)特性滿足設(shè)計(jì)要求，其具體表現(xiàn)形式是主機(jī)(工作范圍)和噴水推進(jìn)泵(負(fù)載特性)的相互關(guān)系的調(diào)整。船-泵-機(jī)匹配的工作之一，是將船舶推進(jìn)所需的噴水推進(jìn)泵負(fù)載特性曲線繪入主機(jī)工作范圍并進(jìn)行相互關(guān)系的調(diào)整，以保證推進(jìn)性能要求。

我國(guó)船舶螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的船-槳-機(jī)匹配設(shè)計(jì)和研究已較為成熟。但由于國(guó)內(nèi)缺乏噴泵的轉(zhuǎn)速-功率-航速和推力－功率－航速特性曲線，因此船-泵-機(jī)匹配設(shè)計(jì)及研究在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)較為陌生的領(lǐng)域。本文利用噴水推進(jìn)泵理論，借助MATLAB SIMULINK軟件進(jìn)行“船-泵-機(jī)”匹配工作模式仿真，為噴水推進(jìn)泵選型提供指導(dǎo)。

2噴泵基本理論

2.1噴泵基本理論[1][2][3][4]

噴水推進(jìn)理論的具體表達(dá)形式很多， 其中主要有以下三種基本形式，即管道損失系數(shù)分別用K1、K2、K3的表達(dá)式。

（1）K1表達(dá)法

管道損失用來流速度頭V02/2g 的百分比來表示，其理論推導(dǎo)得到如下公式：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：K1—管道損失系數(shù)；

Kj—噴口損失系數(shù)；

Kopt—噴泵最佳噴速比；

ηopt—噴泵最佳效率；

H—噴泵揚(yáng)程；

ηc—噴泵效率。

（2）K2表達(dá)法

管道損失用噴射速度頭Vj2/2g 的百分比來表示，其理論推導(dǎo)得到如下公式：

（5）

（6）

（7）

（8）

式中：K2—管道損失系數(shù)。

（3）K3表達(dá)法

管道損失用流量的變化關(guān)系來表示，其關(guān)系式如下：

（9）

（10）

（11）

（12）

式中： ，hc—為水位升高；

，h1—為進(jìn)口管道損失。

2.2各種方法比較

（1）K1表達(dá)法

由于設(shè)計(jì)點(diǎn)來流速度比變化不大，管道損失用V02/2g 的百分比表示，不會(huì)導(dǎo)致管道損失的大幅度變化。另外，這種方法得到的參數(shù)更接近于最佳噴速比Kopt。但是由于V0變化不大，所代表的損失接近于常數(shù)， 因此不能把系統(tǒng)變化對(duì)管道損失的影響靈敏地反映到系統(tǒng)性能上來，實(shí)際管道損失是隨著流量的變化而變化，流量應(yīng)該是系統(tǒng)主要參數(shù)之一。

（2）K2表達(dá)法

主要缺點(diǎn)在于管道損失的大部分來自進(jìn)水管道損失，與噴速Vj不發(fā)生直接關(guān)系。從分式可以看出，噴速越大，管道損失也越大，這與實(shí)際情況正好相反。當(dāng)功率與泵效率一定時(shí)，Vj越大，揚(yáng)程H 越高，而流量Q 越小，管道損失應(yīng)是減小而不是加大.所以這個(gè)理論不能如實(shí)反映噴水推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)際情況。

（3）K3表達(dá)法

主要損失通過K3來表示。噴速比K3 越大，流量Q 越小，管道損失也相應(yīng)減少， 符合實(shí)際情況。此種方法缺點(diǎn)是管道損失隨著(K-1)2 變化，對(duì)K 的變化十分敏感，并且K3變化較大，需要大量船型資料的積累。

在實(shí)際應(yīng)用中，目前大部分采用K1法進(jìn)行噴水推進(jìn)主要參數(shù)的選擇計(jì)算。

3仿真模型的建立及結(jié)果分析

3.1仿真模型的建立

根據(jù)某大型雙體船的阻力和選定的主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速及初步布置，建立“船-泵-機(jī)”參數(shù)傳遞關(guān)系，如圖1所示。

圖1船-泵-機(jī)參數(shù)傳遞關(guān)系圖

根據(jù)圖1所示船-機(jī)－泵參數(shù)傳遞關(guān)系，利用MATLAB SIMULINK軟件提供的子系統(tǒng)建立和封裝函數(shù)，分別建立舷側(cè)推進(jìn)主機(jī)、中間推進(jìn)主機(jī)、舷側(cè)小泵、中間大泵子系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)封裝，最終形成船-機(jī)-泵仿真模型，見圖2。

3.2仿真結(jié)果

根據(jù)噴水推進(jìn)泵K1法理論，分別編制舷側(cè)小泵、中間大泵、舷側(cè)推進(jìn)主機(jī)和中間推進(jìn)主機(jī)的主要參數(shù)計(jì)算MATLAB程序，輸入舷側(cè)推進(jìn)主機(jī)和中間推進(jìn)主機(jī)的轉(zhuǎn)速，得出中間大泵、舷側(cè)小泵在不同主機(jī)轉(zhuǎn)速、航速下的的推力曲線，如圖3、圖4所示。

圖2船-機(jī)－泵MATLAB SIMULINK仿真模型

圖3中間大泵推力曲線

圖4舷側(cè)小泵推力曲線

舷側(cè)推進(jìn)主機(jī)和中間推進(jìn)主機(jī)同時(shí)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，中間大泵和舷側(cè)小泵分別產(chǎn)生使船向前的推力，將推力曲線和船的阻力曲線同時(shí)設(shè)繪于同一張圖中（圖5），其交點(diǎn)即為本船所能達(dá)到的航速。

圖5舷側(cè)小泵+中間大泵推力曲線

3.3仿真結(jié)果分析

由圖4可知，舷側(cè)小泵在舷側(cè)推進(jìn)主機(jī)額定轉(zhuǎn)速1000 r/min、航速18 kn時(shí)產(chǎn)生的推力為2x245 kN；由圖3可知，中間大泵在中間推進(jìn)主機(jī)額定轉(zhuǎn)速3270 r/min、航速45 kn時(shí)產(chǎn)生的推力為2x600 kN。

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，利用CFD流體計(jì)算軟件建立船-泵-流道的1:1流體計(jì)算模型，分別進(jìn)行18 kn巡航航速、45 kn航速工況自航模仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1舷側(cè)小泵和中間大泵CFD計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析比較，MATLAB SIMULINK仿真結(jié)果與CFD流體計(jì)算結(jié)果較為接近，誤差均不大于5%,說明建模方法是可行的，計(jì)算結(jié)果較為接近實(shí)際。

4結(jié)論

根據(jù)某大型雙體船的阻力和選定的主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速及初步布置，利用噴水推進(jìn)理論，借助MATLAB SIMULINK仿真軟件建立船-泵-機(jī)的仿真模型，編制舷側(cè)小泵、中間大泵參數(shù)計(jì)算的MATLAB程序，在舷側(cè)推進(jìn)主機(jī)和中間推進(jìn)主機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，進(jìn)行噴水推進(jìn)泵性能計(jì)算。通過與CFD仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，證明利用MATLAB SIMULINK仿真軟件建模的方法作為船-泵-機(jī)匹配計(jì)算驗(yàn)證的另一種方法是完全可行的，是可值得借鑒和推廣的。

參考文獻(xiàn)

[1] 金仲平. 船舶噴水推進(jìn)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1986.

[2] 708研究所. 船舶噴水推進(jìn)文集[M]. 1999.

[3] 劉強(qiáng),陳華清. 船舶噴水推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型研究. 系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)

用[M], 2003.

[4] 陳華清. 船舶噴水推進(jìn)系統(tǒng)匹配特性仿真分析[J]. 船舶, 2008.

作者簡(jiǎn)介：陳萬宏（1973-），男，高級(jí)工程師。主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

毛福考（1984-），男，工程師。主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

何秦珊（1966-），女，高級(jí)工程師。主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2014-02-21