船舶動力系統設計及優化

王得山

（蓬萊中柏京魯船業有限公司， 山東 煙臺 265601）

船舶的發展史就是其動力系統的發展進化史，動力系統的好壞直接關系到整個艦船的安全穩定航行。正是因為船舶的動力系統對于船舶至關重要，對于動力系統的改造優化也就成為船舶設計中值得重點關注和研究的問題。對于動力系統的優化設計，既要堅持科學的原則，又要根據船舶具體的類型和航行特點有所針對性，從而實現對船舶動力系統配置的合理優化。動力系統優化的主要方向就是對于能源控制技術的改良優化。不同的能源動力系統采用的控制技術也完全不同，對于船舶的航行速度，航行穩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進行全面的優化升級改造。在這樣的背景下，人工神經網絡作為目前人工智能領域最為常見的智能算法脫穎而出。

1 船舶動力系統的概念闡述

主要動力系統和輔助配套系統是構成船舶前進驅動的兩大部分，這兩部分相互協調工作，都需要進行科學的優化設計。

1.1 主要裝置

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

1.2 輔助裝置

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

1.3 配置優化方案

眾多精密復雜的機電設備組成的電氣化系統構成了整個動力系統，這就會出現一個嚴重的設備間干擾問題。特別是大型電器設備運行會形成磁場，對于周圍電器設備運行，特別是精密的設備運行產生影響。這就需要對于整個主動力系統電氣系統進行設備結構的優化改造。為此需要配套不同的子系統，并且諸多子系統都要按照同樣的原則進行設計，才能避免系統間內擾動，具體的國際標準系統設計方案如下：1） 首先對于動力系統目標進行優化，明確船舶動力系統所需要完成的目標需求，進行針對優化設計，主要從動力和經濟兩方面考慮，同時還需要兼顧安全和穩定性能；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） 根據船舶歸屬國家相關船舶設計規定，對于船舶的性能進行進一步的對比設計，制定一系列約束條件，從而保障船舶設計的合理性；4）根據之前確定好的最佳方案參數，在將技術可行性，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優化設計方案。

2 船舶油電混合動力系統選型與布置

本文選用一艘船長20m 的公務艇，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。根據動力系統改造任務書，公務艇續航力為20h，要求滿載排水量下，柴油機、電動機聯合推進時航速為30km/h；在純電力推進模式下，續航時間需大于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，采用節能效果良好且易于改造的并聯系統對該船的動力系統進行改造設計，該系統主要由蓄電池、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。本文所設計的動力系統由柴油機和直流軸帶電機共同驅動螺旋槳，電機前設有一個控制器，用于電池端電壓和直流電機電樞電壓的轉換；柴油機和電機后面直接連接轉矩分離/合成器，該轉矩合成器通過內置行星齒輪來實現柴油機和電機轉矩疊加，或者柴油機轉矩的分離，行星齒輪能夠有效的實現動力的輸入和輸出，且兩者之間的運動相互不影響。此外，行星齒輪還具有質量小、體積小、傳動比大、承載能力大、傳動平穩和傳動效率高等優點。轉矩分離/合成器也設變速齒輪，故而轉矩分離/合成器也是一個減速箱，該裝置的詳細設計和制造由重慶齒輪箱公司完成。轉矩合成器中輸出的轉矩直接傳遞給螺旋槳推動船舶。該系統有4 種工作模式可供選擇，不同的工作模式對應不同的柴油機狀態和蓄電池狀態。本設計中，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，柴油機發出的多余功率可用于發電給蓄電池充電。

3 結語

將油電混合動力系統應用負載變化大的船舶上，相對于常規動力船，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的研究成果，本文將并聯式混合動力系統應用于一艘船長20m 的內河公務艇，為實現柴油機和電機轉矩疊加和輸出，本設計船中將行星齒輪內置到轉矩合成器中，通過行星齒輪，有效、緊湊和平穩的完成了動力的輸入輸出。此外，為有效提高混合動力系統的運行效率和工作模式的切換，設計中采用模糊邏輯控制策略來對全船的動力系統進行控制管理。經計算，設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%，油電混合動力船節能減排優勢明顯。