劉 琦，劉云生，陳新傳，王 蒙，吳 玥

(中國人民解放軍92942 部隊，北京 100161)

0 引 言

推進系統是船舶的主動脈，是主機實現動力傳遞的關鍵部分，對船舶航行的可靠性和經濟性起著決定性的作用。當船舶采用柴-柴聯合（CODAD）推進系統時，可以有效地拓寬主機功率覆蓋范圍，在動力性和經濟性方面具有十分顯著的優勢，但同時也存在瞬態性能較差、易導致怠速空轉情況下突然接排正車或倒車離合器而失速停車的問題，嚴重時還有可能出現增壓器喘振等故障現象。在船舶推進系統及其控制系統的設計階段，必須考慮柴油機上述問題對整個推進系統動態特性的影響[1]。

船舶推進系統是一個復雜的非線性系統，無法用常規的分析方法計算其各工況下的動態特性，而借助于陸上聯調和海上實船試驗耗時長、投資多、風險大，且受到各種條件的限制。隨著計算機仿真技術在能源、動力領域內的應用及發展，其應用于船舶推進系統的相關研究逐漸顯示出獨特的優越性，且仿真結果可以為后續研制階段提供技術支撐，為臺架試驗和陸上聯調等提供參考和指導。因此，開展推進系統動態特性仿真研究十分必要[2]。

1 推進系統數學模型

1.1 柴油機

將柴油機動力裝置簡化成由2 個旋轉質量（柴油機和負載）和1 個無慣性的聯接軸所組成的當量系統，則柴油機的動力學方程為[3]：

式中： Nd為柴油機轉速， r /min ； Ie為柴油機轉動慣量， kg·m2； Mi為 柴油機指示扭矩， N ·m ； MB為負載扭矩， N ·m ； Mf為柴油機摩擦扭矩，N ·m。

柴油機指示扭矩計算公式為：

式中： Me為 有效扭矩， N ·m ； Hu為燃油低熱值，取4.27； ηi為柴油機指示效率；ηm為柴油機機械效率。

柴油機指示效率 ηi與 柴油機轉速 Nd和過量空氣系數 α之間的函數關系為：

式中： α為過量空氣系數；C1～C5為待定系數。

柴油機機械效率計算公式為：

式中： Pi為柴油機指示壓力； Pe為平均有效壓力；Pm為平均機械損失壓力。

1.2 齒輪箱

從運動傳遞角度來看，減速齒輪箱模型可用轉速的減速比 i來表示，即柴油機軸與螺旋槳之間轉速、扭矩和轉動慣量存在以下關系[4]：

式中， Np為 螺旋槳轉速； Qp為 螺旋槳扭矩； Ip為螺旋槳轉動慣量

1.3 軸系

設同一機組的各部件性能參數基本一致，則槳軸動力學方程為：

式中： T 為機組驅動螺旋槳的柴油機臺數； ηgb為齒輪箱效率； Mf2為 軸系摩擦損失扭矩， N ·m ； Mp為螺旋槳水阻力矩， N ·m ； Is為 軸系當量轉到慣量，k g·m2。

軸系摩擦損失扭矩 Mf2按下述經驗公式計算：

式中： Nd0為柴油機額定轉速； Mfd0為額定工況下軸系摩擦扭矩損失。

軸系當量轉動慣量計算公式為:

式中： I1為 減速齒輪箱輸入的轉動慣量； I2為減速齒輪箱輸出的轉動慣量； I3為傳動的轉動慣量。

1.4 調距槳

根據螺旋槳的工作原理，螺旋槳軸上產生推力Tp（N ）和水阻力矩 Mp（N ·m）分別為：

式中： ρ為水的密度； D 為螺旋槳直徑； Np為 螺旋槳轉速； KT為推力系數； KQ為扭矩系數； KT， KQ為無因次量，是進程比、螺距比、盤面比的函數，可以通過查敞水曲線圖譜得到[5]。

上述是螺旋槳在敞水中的水動力特性，實際上，螺旋槳在工作中會受到船體尾部流場的影響，同時反作用于船體尾部流場，這樣就進一步產生了推力減額和伴流現象。螺旋槳有效推力 Te和 進速 Vp為：

式中： t 為推力減額系數； tp為 螺距系數； Vs為船體航速； W為伴流系數。

螺距系數采用Donnelly 公式計算[6]：

2 仿真模型及參數設置

圖 1 推進系統仿真模型Fig. 1 Propulsion system simulation model

推進系統由4 臺柴油機、2 套并車減速齒輪箱及2 套調距槳組成，主要對加、減速以及由全正車到全倒車等動態過程進行仿真研究，其中各個過程的時間控制參數設置如表1 所示。依據上述章節中各模塊的數學模型，基于Simulink 仿真環境建立推進系統仿真模型，如圖1 所示。

表 1 動態控制參數Tab. 1 Dynamic control parameters

3 結果分析

3.1 加速工況

圖2～圖9 為推進系統冷、熱機的正常、應急加速過程仿真結果。可以看出，主機在冷機狀態下加速比較緩慢，不存在超過柴油機功率限制曲線的情況，運行狀況良好；在熱機狀態下則出現了超過柴油機功率限制曲線的情況，尤其是在應急加速時比較嚴重。加速過程航速變化總體較為平穩，緩慢增加。這主要是由于推進系統加速度達到最大時，主機功率已達到甚至超過額定功率，螺距比也已達到理論設計最大值，此時存在轉速振蕩調整過程，加劇了主機功率的變化程度，若加速調節時間沒有完全匹配，就極易導致加速過程主機超負荷[7–8]。

3.2 減速工況

圖10～圖17 為推進系統冷、熱機的正常、應急減速過程仿真結果?？梢钥闯觯罁壳暗臏p速過程調節時間，主機在冷、熱機2 種狀態下均能保證不超過柴油機功率限制曲線，減速過程緩慢，且航速變化平穩，運行狀況較為理想。說明減速過程動態特性良好，可以保證船舶具有較好的航行性能[9]。

圖 2 冷機正常加速過程主機功率變化規律Fig. 2 Power variation of main engine during normal acceleration of cooling engine

圖 3 冷機正常加速過程航速變化規律Fig. 3 Ship speed variation during normal acceleration of cooling engine

圖 4 冷機應急加速過程主機功率變化規律Fig. 4 Power variation of main engine during emergency acceleration of cooling engine

圖 5 冷機應急加速過程航速變化規律Fig. 5 Ship speed variation during emergency acceleration of cooling engine

圖 6 熱機正常加速過程主機功率變化規律Fig. 6 Power variation of main engine during normal acceleration of heat engine

圖 7 熱機正常加速過程航速變化規律Fig. 7 Ship speed variation during normal acceleration of heat engine

圖 8 熱機應急加速過程主機功率變化規律Fig. 8 Power variation of main engine during emergency acceleration of heat engine

圖 9 熱機應急加速過程航速變化規律Fig. 9 Ship speed variation during emergency acceleration of heat engine

圖 10 冷機正常減速過程主機功率變化規律Fig. 10 Power variation of main engine during normal deceleration of cooling engine

圖 11 冷機正常減速過程航速變化規律Fig. 11 Ship speed variation during normal deceleration of cooling engine

圖 12 冷機應急減速過程主機功率變化規律Fig. 12 Power variation of main engine during emergency deceleration of cooling engine

圖 13 冷機應急減速過程航速變化規律Fig. 13 Ship speed variation during emergency deceleration of cooling engine

圖 14 熱機正常減速過程主機功率變化規律Fig. 14 Power variation of main engine during normal deceleration of heat engine

圖 15 熱機正常減速過程航速變化規律Fig. 15 Ship speed variation during normal deceleration of heat engine

圖 16 熱機應急減速過程主機功率變化規律Fig. 16 Power variation of main engine during emergency deceleration of heat engine

圖 17 熱機應急減速過程航速變化規律Fig. 17 Ship speed variation during emergency deceleration of heat engine

3.3 熱機應急加速工況優化

針對熱機應急加速工況下主機超負荷嚴重的情況，對加速過程調節時間進行了反復仿真測試，得到理想的加速時間為550 s，仿真結果如圖18 和圖19所示?？梢钥闯?，優化之后的加速過程未出現主機超過柴油機功率限制曲線的情況，運行狀況良好，航速增加平穩，動態性能可以滿足船舶航行要求。

圖 18 熱機應急加速過程優化后主機功率變化規律Fig. 18 Power variation of main engine after optimization of heat engine emergency acceleration

圖 19 熱機應急加速過程優化后航速變化規律Fig. 19 Ship speed variation after optimization of heat engine emergency acceleration

4 結 語

1）綜合利用機理建模、經驗公式擬合等手段，針對四機雙槳推進系統的特點建立了“船-機-槳”數學模型，并基于Simulink 仿真環境構建了系統仿真模型，主要包括車令、調速器、柴油機、齒輪箱、調距槳等模塊。

2）依據理論設計的動態控制參數對推進系統冷熱機的加、減速以及由全正車到全倒車等動態過程進行了仿真研究，得到了主機功率變化規律和全船航速變化規律，分析了各個工況下推進系統的動態加、減速特性，并對超負荷情況較嚴重的熱機應急加速工況進行了仿真優化。

3）推進系統在熱機減速、冷機加速、冷機減速工況下航速變化平穩，主機運行狀況理想，船舶航行性能較好。在熱機加速工況下由于在加速度達到最大時存在轉速振蕩調整過程，易導致主機出現超負荷現象。通過合理地匹配加速過程調節時間可以避免超負荷問題，優化推進系統的動態性能。