船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化策略

劉世偉

(武漢交通職業(yè)學院 船舶與航運學院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

作為船舶重要的動力裝置，船舶動力推進系統(tǒng)不僅直接影響船舶的速度、操縱性、燃油效率等性能指標，而且也對船舶的安全性、環(huán)保性等具有重要影響。船舶動力推進系統(tǒng)需要滿足推進效率、燃油消耗率、加速可靠性的需求[1–3]。為使船舶航行滿足排放要求和經濟效益需求，研究船舶動力推進系統(tǒng)，優(yōu)化船舶動力推進系統(tǒng)的加速性能，提升船舶在不同工況下的航行可靠性[4]。

目前，已有相關學者針對船舶動力推進系統(tǒng)的優(yōu)化問題展開研究。郝立穎等[5]建立了船舶推進器的故障模型，充分考慮船舶推進器失效、卡死和中斷的故障情況，將自適應滑模控制器應用于船舶動力推進系統(tǒng)中，保證船舶行駛受到外界擾動以及發(fā)生故障時，具有較高的信號一致性，從而實現(xiàn)船舶動力推進系統(tǒng)的控制。高澤宇等[6]將自適應閾值方法應用于船舶動力系統(tǒng)中，結合回歸支持向量機方法與模擬退火算法構建動力系統(tǒng)的常規(guī)狀態(tài)模型，結合滑動時間窗口和自適應閾值優(yōu)化動力推進系統(tǒng)的加速性能。以上方法雖然有效提升船舶動力推進系統(tǒng)的運行性能，但是未充分考慮海洋工作環(huán)境不可預測性以及復雜性，影響復雜環(huán)境下船舶的運行性能。

為提升船舶動力推進系統(tǒng)的加速靈活性，提出一種加速性能優(yōu)化策略。通過該方法提升船舶的航行動力，以適應復雜多變工況下的行駛環(huán)境。

1 動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化

1.1 船舶動力推進系統(tǒng)組成分析

通過船舶動力推進系統(tǒng)，將船舶動力主機與動力副機形成的功，再通過推進器轉換為航行推力[7]。本文以裝備了8臺推進器的船舶動力推進系統(tǒng)為例展開研究。

1）可調螺距螺旋槳又稱為調距槳，利用調距槳調節(jié)船舶槳葉和槳轂，在船舶推進電機轉速固定情況下，通過調節(jié)調距槳螺距的大小，使得船舶推力與航行速度發(fā)生變化，滿足船舶前進與后退的航行工況。船舶動力推進系統(tǒng)的調距槳設置于船尾，調距槳作為船舶動力推進系統(tǒng)的主推進器，為船舶移動提供動力。調距槳可以滿足不同航行工況下的混合動力船舶航行需求，充分吸收船舶動力推進系統(tǒng)的功率，具有較高的動力利用率，可以延長船舶動力推進系統(tǒng)的使用壽命[8]。調距槳無需調節(jié)船舶主機轉速，僅通過調節(jié)螺旋槳參數(shù)，即可實現(xiàn)船舶在不同工況下的航行功能調節(jié)，通過螺旋槳提升船舶的操作性能。

2）船舶的橫向推力利用側推進器產生。可調距螺旋槳側推和噴水推進側推是為船舶提供側推力的主要方式。調距槳側推通過調節(jié)槳葉螺距，調節(jié)船舶推力大小。側推進器具有操作簡單的優(yōu)勢，對于具有較高靈活性與操縱性需求的船舶，在復雜工況下仍然可以利用側推進器提升船舶的航行與作業(yè)能力。

3）全回轉推進器可以圍繞船舶立軸的軸線全方位旋轉，為船舶提供不同的航行功能。利用全回轉推進器，滿足船舶高操作性能需求，為船舶動力定位的精準執(zhí)行提供保障。吊艙推進器和Z型傳動全回轉推進器，是船舶動力推進裝置常用的全回轉推進器，二者具有相似的水動力性能。

1.2 船舶動力推進系統(tǒng)數(shù)字模型

船舶動力推進系統(tǒng)不受外界干擾力和外界干擾力矩的影響，其中的全回轉推進器，為船舶從不同方向形成最大的推力。利用側推進器為船舶提供橫向推力，提升船舶的操作性能。

全回轉推進器與普通的螺旋槳相同，水阻力矩和推力是全回轉推進器的主要性能參數(shù)。利用功率構建全回轉推進器的數(shù)學模型，全回轉推進器的功率計算公式如下：

式中：n與KQ分別為推進器數(shù)量以及扭矩系數(shù)，D與ρ分別為螺旋槳的槳轂直徑以及海水密度，Q與KT分別為全回轉推進器水阻力矩以及推力系數(shù)，Tx與Ty分別為推進器的橫向與縱向推力。

側推進器通常安裝在船首或船尾的橫向導管內。船舶螺旋槳轉動時，帶動流體從導管流入或流出，流體流入與流出的壓力差，形成與導管平行的推力，船舶導管的流量與形成的側推力相關，導管流量越大時，船舶受到的側推力越大。

通過分析側推進器的來流與噴流，計算船舶的側推力和力矩的表達式如下：

式中：Z為船體底部的浸濕面積，nx與ny分別為船體向外的單位法向量在船舶橫向與縱向的分量，F(xiàn)與M分別為側推進器的噴流與船體干涉力在縱向的分力與力矩。

利用螺旋槳推力公式構建船舶動力推進系統(tǒng)的推進器模型。在船舶航行的過程中，推進器在產生推力的同時，形成令船舶轉動的扭矩。推進器的安裝位置，與扭矩的計算和推力大小存在直接關聯(lián)。船舶扭矩總和計算公式為：

式中：xi，yi分別為船舶動力推進系統(tǒng)各推進器的位置坐標；Xi，Yi分別為橫向推力與縱向推力。利用以上過程構建船舶動力推進系統(tǒng)的數(shù)字模型，為船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化提供基礎。

1.3 加速性能優(yōu)化策略

1.3.1 船舶動力推進系統(tǒng)加速策略

依據(jù)上述所構建的船舶動力推進系統(tǒng)的數(shù)學模型，為船舶動力推進系統(tǒng)制定加速策略。利用調速器設置固定的主機轉速，在動力設備的單位步長內，提升動力設備的速率。設置船舶動力推進系統(tǒng)加速過程如下：

閉合船舶動力主機離合器，為動力主機設置固定的接排轉速。動力推進系統(tǒng)穩(wěn)定后，調節(jié)轉速以恒定的增加率提升主機轉速，利用傳動系統(tǒng)將主機形成的轉速和扭矩傳送至定距槳，推進船舶加速。

采用氣體機轉速控制方法，對船舶動力推進系統(tǒng)設置恒定升速率。將功率/扭矩控制方法應用于船舶軸帶電機中。船舶動力推進系統(tǒng)采用恒升速率加速時，船舶船槳模型的軸功率輸出實時結果，船舶動力推進系統(tǒng)設置不同的轉速增加率。為了保障船舶動力推進系統(tǒng)加速過程中保持較高的穩(wěn)定性。設定船舶動力推進系統(tǒng)加速限制的表達式如下：

式中：P1與P2分別為動力電機的軸系功率以及額定功率，P′為動力主機的最大持續(xù)功率。通過式（5）確定船舶動力系統(tǒng)的加速限制值，控制船舶動力推進系統(tǒng)加速。

1.3.2 船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化策略

利用變頻器超前控制方法，優(yōu)化船舶動力推進系統(tǒng)加速響應的實時性。將船舶動力推進系統(tǒng)的變頻率，與軸系轉速的高采信號作為船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化的輸入，計算船舶動力電機的輸出功率。采用軸帶電機扭矩控制方法控制船舶電機扭矩，船舶動力推進系統(tǒng)利用變頻器采集船舶車鐘手柄的最終位置，手柄的位置信號與船舶動力推進系統(tǒng)加速的目標轉速對應，結合穩(wěn)態(tài)負荷分配結果，確定船舶加速目標對應的船舶電機參數(shù)。為了保證加速穩(wěn)定性，設定船舶電機每個循環(huán)轉速下，扭矩增加限制為50 N·m。通過以上過程，完成船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化。

2 結構與分析

為了驗證船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化策略的有效性，進行仿真實驗。

實驗選取某艙容為8 000 m3的貨船作為研究對象。所選取船舶的設計航速為14.5 kn，選取2臺1 800 kW的氣體推進主機作為船舶動力推進系統(tǒng)的動力主機。利用Matlab軟件，模擬不同工況下船舶航行狀況，驗證所研究方法有效性。

船舶與船舶螺旋槳的參數(shù)設置如表1所示。

表1 船舶與螺旋槳參數(shù)設置Tab.1 Ship and propeller parameter Settings

設置船舶以低速工況、服務航速工況等不同工況航行，在船舶航行30 s時，對船舶發(fā)出加速指令。采用本文方法優(yōu)化船舶動力推進系統(tǒng)的加速性能，船舶加速的仿真結果如圖1所示。

圖1 船舶加速仿真結果Fig.1 Ship acceleration simulation results

可以看出，本文方法采用變頻器超前控制方法，對船舶加速性能進行優(yōu)化，船舶的發(fā)動機轉速和主機功率較為平穩(wěn)，動力推進系統(tǒng)的加速性能優(yōu)越。加速過程中發(fā)動機轉速的跟隨性較高，可以快速達到加速目標，具有較高的加速穩(wěn)定性。不同工況下，船舶航行的加速性能良好，有助于提升船舶航行的實際應用性。

統(tǒng)計采用本文方法對船舶的加速性能，船舶速度變化結果如圖2所示。

圖2 船舶加速結果Fig.2 Ship acceleration results

可以看出，采用本文方法在不同工況模式對船舶進行加速性能優(yōu)化，船舶的加速性能良好，可以保持穩(wěn)定的速度變化。船舶動力推進系統(tǒng)接收加速信號后，快速調節(jié)船舶速度，保障船舶在較短的時間內滿足加速目標需求。上述結果表明，本文方法具有較高的船舶動力推進系統(tǒng)加速優(yōu)化性能，可以為船舶的穩(wěn)定航行提供良好的基礎。

采用本文方法優(yōu)化船舶動力推進系統(tǒng)的加速性能，船舶航行的燃油消耗率變化如圖3所示。

圖3 船舶燃油消耗率Fig.3 Fuel consumption rate of ships

可以看出，采用本文方法優(yōu)化船舶加速性能后，相比于未采用本文方法的情況，船舶的燃油消耗率明顯下降，驗證本文方法可以提升船舶運營的經濟性。實驗結果表明，本文方法可以通過對船舶速度的控制，提升船舶航行的可靠性，降低船舶的燃油消耗率，實現(xiàn)船舶速度控制的穩(wěn)定性。

3 結 語

針對船舶動力推進系統(tǒng)的加速性能，本文進行優(yōu)化設計，提升不同工況下船舶航行的加速性能。通過實驗驗證，通過對船舶動力推進系統(tǒng)加速性能優(yōu)化，船舶加速穩(wěn)定性高，船舶航行的燃油消耗率下降幅度明顯，可以實現(xiàn)船舶加速性能的優(yōu)化。該方法具有較高的優(yōu)化船舶航行加速性能的優(yōu)勢，適用于不同工況下，船舶航行的實際應用中。

本文的研究旨在探究如何優(yōu)化船舶動力推進系統(tǒng)的加速性能，通過改善船舶動力加速的效率，進一步提高船舶的性能和經濟效益，同時減少船舶運行中相互之間的碰撞風險，降低海洋污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。