船舶电力推进系统螺旋桨负载特性动态仿真∗

2018-03-23刘英杰

舰船电子工程 2018年2期

刘英杰张周王婷

（江苏科技大学电子信息学院镇江 212003）

1 引言

传统的船舶在动力推进方面大多是柴油机通过机械结构来带动螺旋桨从而推动船舶的航行，而伴随着现代交流调速技术的飞速发展，电力推进迅速占据了船舶推进方式的舞台。电力推进相比于传统柴油机推进有着无可比拟的优点，而为了确保电力推进系统的稳定性就需要对搭建的系统进行仿真分析。本文从船桨的基本特性出发，考虑船桨之间的相互作用以及在行驶过程中所受的阻力等搭建船桨的数学模型，分析螺旋桨负载特性在不同工作环境下的动态响应，仿真的结果可以作为实际船舶操作中的科学依据。

2 螺旋桨特性曲线拟合

进速比J用于表征螺旋桨进程hp和螺旋桨直径 Dp的比值，螺旋桨的转速为n，螺旋桨进速Vp=hpn，由此可得：

对于大型船舶而言，由于自身的重量所带来的惯性使得在船舶进行倒航操作时，虽然螺旋桨已经进入反转但是船舶由于惯性作用还在处于正航状态，螺旋桨的进速Vp仍然保持正值但是转速n已然为负，从而导致进速比J=VpnDp出现负值。因此为了考虑到螺旋桨运动的全工况，根据转速n和进速Vp的不同，将螺旋桨的运动情况分成以下四个象限：第一象限（ n＞0，Vp＞0），第二象限（n＜0，Vp＞0），第三象限（n＜0，Vp＜0），第四象限（n＞0，Vp＜0）。在 n和Vp不同时为零的情况下，给出如下定义：

式中：T0(J′)=1，T1(J ′)=J'，T2(J ′)=2J'2-1 ，T3(J ′)=4J'3-3J'，… ，Tk(J ′)是以关于J′的多项式，其推导公式为 Tk+1(J ′)-2J′Tk(J ′)+Tk-1(J ′)=0，(k=1，2，3，…，n-1) 。为了满足时间效率以及精度的要求，本文采用8阶Chebyshevd多项式对特性图谱进行拟合，螺距比 H Dp取0.7，系数a0～a8参考文献［3，8］。

3 船桨数学模型

将上文中式（2）分别代入式（4）和（5）中算得推力和及转矩分别为：

由于螺旋桨工作时对水的抽吸使得船体受到的摩擦力以及压阻力会有所增大，从而螺旋桨的推力与船体收的的阻力不相等，所以在此引入推力减额系数t。

式中：m为船体重量（单位kg）；Δm为伴随传播运动的附水质量（单位kg），根据经验附水质量可取船舶总重量（m+Δm）的5%～15%。

船舶航行过程中所受到的阻力［1］：

式中：C为阻力系数；Vs为船舶航行速度。

伴流系数t以及推力减额系数ω通过以下经验公式来确定：

式中：n为螺旋桨的实际转速（单位r/s）；ne为螺旋桨的额定转速（单位r/s）；Cb为船舶的方形系数，Cb=排水体积V/（船长L×型宽B×吃水深度d）。

由船桨特性公式可以得到如下图1所示的船桨数学模型。

4 螺旋桨动态特性仿真

本文以某电力推进工作船为仿真研究的对象，结合上文所述的船桨数学模型搭建仿真模型，分析船桨的动态特性［4，7］。船舶特性参数具体如下：最大航行速度28节（约11m/s），最大螺旋桨转速200 r/m in（约3.33 r/s），船体总重量2.6t，附着水重量0.39t，桨径0.35m。

4.1 船舶正车启动

1）直接启动

直接启动的优点在于达到目标转速的速度相对较快，一旦接通电源，推进电机即刻开始运转，螺旋桨的转速提升较快，只需相对少的时间便可以达到设定值。桨速n、船速Vs以及桨转矩M变化情况如下图2～4所示。

由上图的仿真结果表明，最初静止状态时航速和螺旋桨转速都为零；一旦接受指令便起航，同时，伴随着螺旋桨转矩到达最大值88.5 kNm，其转速也迅速提高至最大转速200r/min，之后桨速维持在200r/min，船速经过2.5s的加速过程，并最终保持在最高航速28kn。螺旋桨转矩将经历先增大再减小的过程，增大至最大值后又缩小至68.5kNm，并保持这个转矩不变。

经过分析直接启动的仿真结果可以发现，加速的起始阶段桨轴过载严重，这种状况对设备的损害较大。

2）分级启动

分级启动可以分为三个启动阶段。分级启动主要是通过阶段性的提高转速，使其逐渐达到设定值。桨速n、船速Vs以及桨转矩M从启动到稳定状态的变化曲线如下图5～7所示。

分析仿真结果不难发现，船舶维持静止状态直至接收到启动信号。接收到启动信号后启动一级加速，电机缓慢开始运作，此时螺旋桨的转矩还比较小，船速随之渐渐提升；0.5s后加速减缓，船舶维持在低速稳定航行的状态，此时螺旋桨转速保持在115 r/min，而转矩增大至28 kNm；1s后进入再次加速，螺旋桨转速增至147r/min，螺旋桨转矩提升到41kNm；到1.5s时，加速过程减缓，转矩也随之稳定减小；2s时进行最后一次加速，螺旋桨转速提升至最大值，转矩随之增大到最大值72 kNm，同时船舶加速航行，运行到4s时航速维持在最大航速28kn，之后螺旋桨转矩开始下降，并在4s后，稳定在68.5 kNm。

在分级启动的整个过程中，螺旋桨转矩的变化要小很多。

4.2 船舶正车启动后停车

对额定航速行进中的船舶进行停车操作的动态仿真，分别采用紧急停车和分级停车两种方式。

1）紧急停车

通常情况下紧急停车是为了应对船舶正向航行过程中一些突发情况而采取的解决方法，紧急停车过程中桨速n、船速Vs以及桨转矩M如下图8～10所示。

从上图的仿真曲线可以看出，在2.5s时螺旋桨旋转速度从200r/min突然降为0，使得船舶的航速由28kn迅速下降，同时螺旋桨的转矩在2.5s时也从正向的68kNm变为反向的8 kNm，而后逐渐减小，并在10s时减小为0。从螺旋桨的转矩仿真图可以看出，螺旋桨的转矩在短时间内突然由正值变为负值而且大小变化了76 kNm，螺旋桨转矩轴的过载十分严重，因此倘若在实际运行过程中采取这种运行模式，将极大的损害推进电机，易造成事故或增加维护成本。

2）分级停车

分级停车指的是船舶由最大航速正向航行经过两级减速过程逐渐降低，分级停车过程中桨速n、船速Vs以及桨转矩M如下图11～13所示。

从上图的仿真曲线可以看出：第一次减速，在0.5s内螺旋桨转速从200r/min缩减到120r/min，螺旋桨的转矩从75 kNm缩减到22kNm；第二次减速，螺旋桨转速从120r/min缩减到60r/min，螺旋桨的转矩从24 kNm缩减到3 kNm，在2.5s时船舶航速为12kn，此后伴随船速的持续减小，螺旋桨转速在0.5s内缩减到0，但是船舶自身重量必定会产生惯性，因此船速始终无法完全降至0；而螺旋桨的转矩在历经三次逐渐减小的过程后，最终完全降至0。通过对紧急停车和分级停车过程中螺旋桨的动态曲线分析可知，紧急停车相较于分级停车螺旋桨的转矩变化太大，容易使得设备受损。

5 结语

本文以小型船舶为例，选取Chebyshev多项式拟合四象限螺旋桨的特性曲线，依据船桨的特性搭建数学模型进而搭建Matlab仿真模型，对船舶正车启动和正航停车过程中的动态响应曲线进行分析，根据仿真可以看出分级启动能够避免螺旋桨的转矩在瞬间发生较大的变化，避免过载的发生，而分级停车可以在多次减速的过程中使得螺旋桨的负载缓慢的降到0，减小最大负转矩，降低对设备的损害。根据以上所述可知，对于大型船舶而言，由于自身重量的庞大所带来的惯性也是巨大的，因此在大型船舶的航行过程中，正车启动和直接启动和紧急停车所需的时间将是几十秒甚至几分钟，那么螺旋桨转矩轴所出现的严重过载时间也会很长，对推进电机的损坏也会更大。所以在船舶的实际操作中除非紧急情况，否则都应当采用分级启动和分级停车。

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