渔业资源调查船柴电混合动力系统设计

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(上海齐耀科技集团有限公司，上海200090)

渔业资源调查船柴电混合动力系统设计

陆鹏，周晓洁，孙伟，谭琨，申卿

(上海齐耀科技集团有限公司，上海200090)

针对某渔业资源调查船的作业需求，应用柴电混合动力系统设计软件进行总体方案设计,完成传动设计、初步匹配、柴电功率分配及终结匹配等设计和计算，实现该船的柴电功率分配及设备选型。

柴电混合；机桨匹配；功率分配；设备选型

柴电混合动力系统具有柴油机推进、电力推进、柴电并车混合推进等多种工作模式，可发挥柴油机推进和电力推进2种动力形式的综合优势，具有节能高效、操作灵活、可靠性高等诸多优点。柴电混合动力是由柴油机和轴带电机(或套轴式电机)组成混合推进的新型动力型式[1]，其运行模式多样。目前，对船舶柴电混合动力系统的研究集中在原理、仿真或控制策略等的介绍[5-6]，而面对系统总体方案设计和关键设备的选型则鲜有报导。本文应用自主开发的船舶柴电混合动力系统设计软件，结合螺旋桨图谱法[7-8]对某渔业资源调查船柴电混合动力系统进行方案设计、设备选型设计及柴电功率分配分析，其结果可为类似的船舶柴电混合动力系统的设计和研究提供参考和指导。

1 柴电混合动力系统设计软件

软件结构为树状，主要模块关系见图1。

图1 柴电混合动力系统设计软件结构

第一层级菜单包括文件处理、系统设计、数据库管理以及帮助等。其中系统设计包含快速性预报、方案设计、多方案评估、设备选型及轴系相关计算等；软件的数据库包含：设备数据库、设计资料库和软件库。由于不同设计过程需要交叉引用相关的数据库，所以多数据库管理贯穿整个设计过程。数据库采用内部查找、引用，外部修改、增删的管理方式，可以方便地进行各项维护。数据库各页有相应模板，从而保证程序引用的正确性和快速性。方案设计包括参数输入、型式选择、设备选型、机桨匹配计算、轴系计算、结构草图设计等，最终出具完整的设计报告。此外，该软件还能够通过多种设计方案的输入后，结合专家打分评价系统，进行多方案评估并出具评估结果报告，从而明确哪种方案更加合理。

综上所述，柴电混合动力系统设计软件是一个综合软件，涉及到人机交互、文件处理、数据库交叉应用、动力系统方案设计、轴系校核计算、多方案评估、设计报告输出等。限于篇幅，以某渔业资源调查船柴电混合动力系统为研究对象，对该渔业资源调查船在不同运行工况下系统的总体方案、推进型式、工作模式、柴电功率分配、最大航速及系统布置等进行设计分析，实现柴电混合动力系统方案主要设计过程。

该设计软件在VB.net环境下编制完成，软件启动后界面见图2，最上层的菜单按照图1结构为第一层级。点击任何一个菜单可以在界面左侧弹出对应的第二层级下拉菜单。

图2 柴电混合动力系统设计软件界面

2 应用

2.1 系统输入条件

某渔业资源调查船主推进动力系统采用单机单桨(带PTI推进电机)形式，设置1台主推进柴油机、1台齿轮箱、1套轴系及可调桨、2只高弹、1套推进电机及变频驱动控制系统。主推进柴油机采用高速机，通过减速齿轮箱与轴系及螺旋桨相连。齿轮箱为2进1出形式，输入侧通过高弹性联轴器分别与主推进柴油机和PTI变频电机连接。

该设计软件根据已知条件确定总体设计方案。设计参数越详细，越能反映船舶真实的信息，则设计结果越精确。设计软件需要的船舶设计参数见表1。

表1 船舶设计参数

船体主要设计参数见表2；船体有效功率见表3(也可以是阻力[9])，对应不同设计点的有效功率，一般由船模试验获得；该柴电混合动力系统输出功率与设计航速的关系见表4。需要说明的是，航速作为柴电混合推进动力系统的考核指标并不全面，这里只是单纯考虑达到设计航速所需功率是否小于主机能提供的功率即为满足设计要求。实际还需考虑经济性指标、可靠性指标、强度指标及噪声振动指标，等。

表2 船体主要参数

表3 船体有效功率

表4 系统组成及参数

2.2 混合动力系统设计步骤

步骤1。进行参数输入，界面见图3。

图3 参数输入界面

在图3的参数输入界面中，按照提示输入表1的相关数据。其中表2的船体主要参数和表3的有效功率曲线为软件计算中必须要求的数据，并用“*”在界面上标明。

步骤2。传动设计选型，界面见图4。

图4 传动设计选型设计界面

传动设计选型是根据动力系统的配置进行选择传动方案及设备。首先，按照轴系的数量分单桨、双桨、三桨及四桨4大类进行选择。再细分成直接传动(不带齿轮箱)和间接传动，间接传动再进一步细分成是否带PTO/PTI，是否并车,等。另外，对可能出现设备不在列入的模式中或需要修改已有模式中默认的设备时，还可以通过右下角的设备配置表进行灵活选型。

步骤3。工作模式设置，有基本、经济、助推、应急、电轴这5种常见模式供选择，界面见图5。

图5 工作模式设置界面

针对该渔业资源调查船，设计要求具有基本模式(全柴推进)、柴电并车模式(booster)及电力推进模式(PTI)。对于有其他型式的可以在上图中各模式前的复选框中勾选，并将对应的设计航速输入其中。

步骤4。软件内置了初步匹配的计算流程，应用螺旋桨图谱法，自动求出各工况下的航速对应的功率需求，点击各工况的切换页面显示，见图6。

图6 初步匹配计算结果界面

对于图6初步匹配结果，再根据柴电混合各工况功率需求计算，对柴油主机和PTI推进电机的功率进行推算，见图7。

图7 柴电功率分配推算结果界面

一旦确定各设备的功率，可在图8所示的数据库界面中进行设备选型。

图8 设备选型界面

根据初步匹配的参考值，再合理运用通配符，可能选出多个合适的设备，设计者可根据一定冗量在设备数据库中对设备进行选择，确定后的选型结果显示在图9的界面中，系统组成的主要部件可分页显示。

图9 设备选型结果界面

步骤5。终结匹配计算最大航速和螺旋桨效率，见图10。

图10 终结匹配界面

终结匹配是主机选定后，根据输入主机的功率，限定螺旋桨直径和盘面比，再根据图谱桨的设计确定螺旋桨充分吸收主机功率后能达到的最大航速及此时螺旋桨效率和螺距比等参数。

步骤6。根据设备组成形成轴系布置图，首先形成草图，见图11。

图11 轴系布置草图界面

由于设备按照传动的关系连接在一起成为整套动力系统，故只要确定一个最边缘的设备位置(可以是主机，也可以是螺旋桨)就可以按照其他设备之间的相对位置及设备自身尺寸来确定轴系布置图。例如：螺旋桨位于1号肋位处，可根据相连的桨轴及其长度确定齿轮箱输出端的位置，再根据齿轮箱尺寸以及PTI高弹和主机高弹的位置分别确定PTI位置和主机位置，如此顺序连接从而实现整套动力系统的轴系形成。简图的绘制，可以显示并判断轴系各设备的位置关系是否正确。

将各设备厂商提供的设备CAD图，用CAD的制块命令形成相应的图块，按照上述草图的连接原则调用各设备图块，最终构成轴系的设计总图，见图12。

图12 轴系设计总图与CAD关联出图

轴系中各设备是按照一定的相对位置连接而成的。根据各设备的CAD块图，并依据插入点(通常为连接点)位置，软件可自动调用AutoCAD实现轴系设计总图的自动拼接、显示和保存，方便使用者对整个系统有直观的认识。同时也可以在此基础上标注尺寸和明细，实现工程出图。

3 计算结果分析

由于初步匹配解决了达到设计要求的功率需求，同时也考核了初步选定的设备是可以满足设计要求的。还需确定：①柴电混合动力系统中柴电功率的分配，由此确定各设备的功率，达到设备选型的目的；②需要知道在确定的功率下，该船舶螺旋桨吸收相应功率，能产生最大的航速和最优化的螺旋桨设计参数。

3.1 柴电功率分配及设备选型

根据设计航速及初步匹配计算结果来考核原选择的设备是否能满足各工况的需求。表5的“初步匹配计算结果”均小于原选设备的功率，满足设计要求。另外，表中的敞水效率和螺距比反映了不同设计航速下调距桨的状态。

表5 初步匹配计算结果与初选设备的比较

结果(图6、7)显示各工况下柴油主机和推进电机的功率需求分别为970.4和133.73 kW。也可以通过柴电并车的功率需求(1 118.5 kW)减去柴油主机功率需求(970.4 kW)，由此结果可推算出推进电机的功率配置(148.1 kW)。两者相差不大，都可以达到柴电功率分配的目的，从而帮助设计者在对应的设备数据库中选择相应合适的设备，一般应选择其中较大者。再考虑不同工况下主机功率对应不同的航速，且此时螺旋桨的敞水效率和螺距比不同，相对于助推工况下的最大航速，敞水效率和螺距比都扩大了近1.12倍(敞水效率0.609/0.541；螺距比0.93/0.83)，折算PTI的近似功率需达到185 kW才能满足设计要求，考虑效率和冗余因素，PTI的功率需求还需相应放大。

根据上述计算结果：主推进柴油机功率需大于970 kW；PTI功率需大于185 kW作为输入条件，在设计软件的数据库中查找相应的设备，其选型界面仍为图8。再综合考虑频率、转速、电压等技术条件和经济性、可靠性、安全性及可维修性等要求，达到合理选型的目的。

3.2 终结匹配

初步匹配设计的结果可以满足各工况下设计航速要求，即达到设计航速所需功率小于实际提供的功率。同时，还需考虑在原选择设备条件下，即柴油机单独推进1 007 kW、柴电混合总功率1 227 kW和PTI推进电机单独推进220 kW下，各自能达到的最大航速、敞水效率和螺距比等。这一过程即为终结匹配。

以柴油机单独推进为例，把已知型号的柴油机从数据库中选择出来后，再将其功率以及螺旋桨的直径和盘面比作为输入条件，进行终结匹配，按照终结匹配流程，结合螺旋桨的图谱法，软件计算出此时的最高航速以及螺旋桨吸收相应主机功率后优化的螺距比和敞水效率(桨效率)。

同上，分别输入柴电混合推进功率1 227 kW及PTI功率220 kW，结果见表6。

由表6可见，终结匹配的计算结果均大于设计航速要求，误差小于0.5 kn，且相对误差都是正偏离，故原选择的设备满足设计要求。

表6 终结匹配计算结果

4 结论

渔业资源调查船柴电混合动力设计的应用分析表明，初步匹配(确定功率需求)、柴电混合功率分配以及终结匹配(确定柴电功率已知下最大航速)均能满足设计要求，且精度较高。但同时，针对柴电混合的工况复杂性，软件的简化处理是误差的主要来源。

该设计软件结合了总体方案设计、传动选型、机桨匹配计算、设备选型、柴电功率分配等方法或算法，使柴电混合设计从经验设计初步转化成自主设计，提高了设计灵活度、减轻了工作强度，界面美观、人机交互性强，方便相关设计人员使用，具有很好的推广价值。考虑到该设计软件对功率和航速的分析依赖螺旋桨图谱法，故从提高该设计软件的应用范围和计算精度的目的来看，下一步的研究重点是搜集整理其他各型螺旋桨的桨谱，以充实螺旋桨桨谱数据库。

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Design of Diesel-Electric Hybrid Propulsion System for Fishery Resources Investigation Vessel

LUPeng,ZHOUXiao-jie,SUNWei,TANGKun,SHENQing

(Shanghai Qiyao Science & Technology Group Co. Ltd, Shanghai 201108, China)

According to operational requirements of the fishery resource investigation vessel, the overall scheme of a diesel-electric hybrid propulsion system was designed, including transmission design, preliminary matching, diesel-electric power distribution and termination matching. The ship’s power distribution and equipment selection were determined.

diesel-electric hybrid propulsion; engine and propeller matching; power distribution; device selection

U664.142

A

1671-7953(2017)06-0072-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.016

2017-01-22

2017-03-07

国家科技支撑计划课题资助(2014BAG04B02)

陆鹏(1977—)，男，博士，高工

研究方向：船舶与海洋工程