景 民,陸金銘
(江蘇科技大學 機械與動力工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江212003)
推進裝置的設(shè)計是艦船動力設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié),總體設(shè)計必須從船、機、槳的配合特性出發(fā),合理地選配船、機、槳、傳動設(shè)備的特性參數(shù),實現(xiàn)船、機、傳動設(shè)備、軸系、槳的最佳配合,保證船、機、槳在最佳狀態(tài)下運行,即實現(xiàn)推進裝置能量的最佳轉(zhuǎn)換。因此,對艦船推進裝置的模擬仿真也就是基于對這幾大部分的建模,然后使用計算機技術(shù)進行仿真分析,根據(jù)仿真結(jié)果分析艦船動力推進裝置的性能及控制規(guī)律[1]。
1.1.1 船槳數(shù)學模型
船槳系統(tǒng)中包括推進裝置的旋轉(zhuǎn)運動和船的直線運動兩個慣性體系(分別稱為轉(zhuǎn)動和平動系統(tǒng))。這兩個體系間有力(距)和能量的傳遞。力(距)和能量與這兩個體系的共同工作狀態(tài)有密切的關(guān)系[2]。
船舶在敞水中螺旋槳產(chǎn)生的推力Tp為:
螺旋槳的負荷力矩(即螺旋槳上的水阻力距)Mp為:
其中:KT——螺旋槳的推力系數(shù);
KQ——轉(zhuǎn)矩系數(shù);
n——螺旋槳的轉(zhuǎn)速;
ρ——水的密度;
D——螺旋槳的直徑;
J——螺旋槳的進程比;
θ——螺旋槳的螺距角;
Vp——螺旋槳的進速。
通常情況下Kp、KQ與J和θ之間的關(guān)系無法用解析式表達,而需要利用螺旋槳的圖譜獲得。仿真時,可把KT-J,θ和KQ-J,θ曲線存入計算機,構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器。數(shù)字仿真情況下可以把曲線變成表格函數(shù),斷點數(shù)據(jù)存入內(nèi)存,使用內(nèi)插值法求值。為滿足動態(tài)仿真的需要,要求使用的螺旋槳的特性曲線畫在四個象限內(nèi)。此特性曲線僅在較局限的工況范圍才適合使用,例如當n→0時,J→∞。因此需要有其它的描述螺旋槳特性的方法,使之構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器,能夠在大工況范圍內(nèi)使用。本文建立仿真模型時使用進角系數(shù)法,φ=arctg。式(1)和(2)可以寫成:
式中:CT=KTcos2φ CQ=KQcos2φ
對螺旋槳的四象特性(即CT-μ和CQ-μ特性)做Chebyshev多項式擬合,結(jié)果如下:
推力特性
轉(zhuǎn)矩特性
式中
圖1 CT-μ 和CQ-μ 特性曲線
在推進特性的實際仿真中,從精度和時間效率兩方面考慮,決定采用8階的Chebyshev多項式擬合[3]。通過 Matlab編程可以得到CT-μ和CQ-μ的特性曲線,所得到的曲線見圖1。
由圖1可以得到CT和CQ,在代入式(3)和(4),就可以得出推力Tp和轉(zhuǎn)矩MP。
1.1.2 柴油機本體數(shù)學模型
柴油機的穩(wěn)定工況是由給定負荷下曲軸的恒定轉(zhuǎn)速來表征的,如果忽略機組的摩擦力矩,只有柴油機的輸出轉(zhuǎn)矩Md與轉(zhuǎn)化至曲軸的阻力矩MC相等,即Md=MC。然而出現(xiàn)非穩(wěn)定工況時,靜平衡就會遭到破壞,使發(fā)動機曲軸的角速度發(fā)生變化,按動量矩原理可寫成微分方程式為:
對于增壓柴油機而言,有效轉(zhuǎn)矩Md是循環(huán)供油量gc和有效效率ηe的函數(shù),由于有效轉(zhuǎn)矩ηe取決于兩個主要參數(shù):過量空氣系數(shù)α和曲軸角速度ω,或是增壓空氣壓力pK及ω;負載轉(zhuǎn)矩MC是負載系數(shù)N和曲軸角速度ω的函數(shù)[4]。
通過泰勒級數(shù)變換和整理,可以得到柴油機的線性化模型:
式中:T——發(fā)動機的時間常數(shù);
K——發(fā)動機自平衡常數(shù);
θ1——增壓壓力放大系數(shù);
θ2——負荷調(diào)整放大系數(shù)。
(ω0、gC0、pK0和 N0分別代表平衡工況下的曲軸角速度、每循環(huán)供油量、增壓空氣壓力和負載系數(shù))
1.2.1 船槳系統(tǒng)模型的建立
前面已經(jīng)介紹了Kp和KQ,并說明它們是J和θ(螺距角)的函數(shù)。在這里通過對螺旋槳的設(shè)計圖譜進行多項式擬合,從而構(gòu)成Kp和KQ函數(shù)發(fā)生器,只要在“初始參數(shù)”模塊中對應(yīng)的輸入螺距比、進程比、盤面比和槳葉數(shù),就可以得到兩個信號,信號1是KP的值,信號2是KQ的值。其中螺距比、進程比、盤面比和槳葉數(shù)可以通過圖譜獲得。
在螺旋槳給定的情況下,它的螺距比、盤面比和槳葉數(shù)可確定的值,但是進程比是螺旋槳的轉(zhuǎn)速n、直徑D和船的航速vs的函數(shù) (J =)。在整個系統(tǒng)的仿真模型中,通過反饋系統(tǒng)就可以得到隨航速和轉(zhuǎn)速函數(shù)變化的進程比,使整個推進系統(tǒng)在大工況范圍下進行仿真。圖3所示為船槳系統(tǒng)仿真模型。
圖2 船槳系統(tǒng)仿真模型
在圖2所示的機槳系統(tǒng)仿真模型中,大多數(shù)的模塊是由子系統(tǒng)構(gòu)成的,這樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就有了層次。在建立模型時條理清晰,仿真運行時,也能及時發(fā)現(xiàn)錯誤,便于修改和調(diào)試。
1.2.2 柴油機本體仿真模型
圖3 柴油機本體仿真模型
為了便于闡述問題,只對柴油機本體進行建立仿真模型。依據(jù)前面所建立的數(shù)學模型,可以建立圖3所示的仿真模型。把柴油機仿真模型的輸出轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩Md,并連接到船槳模型中,就構(gòu)成了一套船舶推進系統(tǒng)的仿真。當然,本文所述的只是柴油機本體的仿真。
圖4 螺旋槳轉(zhuǎn)速n和船舶航速vs的仿真曲線
在前面建立的推進裝置系統(tǒng)模型里,輸入螺旋槳和柴油機的初始參數(shù)。確定系統(tǒng)的采樣時間為50s。系統(tǒng)運行結(jié)束以后,就可以獲得圖4所示的螺旋槳轉(zhuǎn)速n和船舶的航速vs仿真曲線。在模型的仿真過程中,由于J=,導(dǎo)致螺旋槳的轉(zhuǎn)速不能從零開始,而是主機先給螺旋槳一定的轉(zhuǎn)速,是船舶在系統(tǒng)的控制下開始航行,及航速從零開始增大。隨時間的推移,大概在35s后,螺旋槳的轉(zhuǎn)速和船舶的航速都趨于穩(wěn)定。但是轉(zhuǎn)速曲線在15s后就基本的趨于穩(wěn)定,比航速曲線將近快了20s的時間。這與所輸入的柴油機扭矩的變化狀態(tài)有關(guān),而且還與系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的影響因素有關(guān),例如船體總阻力RT,摩擦阻力矩Mf。
通過對螺旋槳的設(shè)計圖譜進行多項式擬合,使之構(gòu)成函數(shù)發(fā)生器,從而使推進系統(tǒng)能夠在大工況的情況下進行仿真,得出更合理、更準確的分析曲線。通過建立船槳運動模型,仿真模型不僅考慮了推進系統(tǒng)本身的特性,還考慮了船體阻力和摩擦力矩的影響。利用該裝置可以實現(xiàn)艦舶在給定螺旋槳的各參數(shù)下對航速和螺旋槳轉(zhuǎn)速進行仿真,各環(huán)節(jié)之間的仿真曲線相吻合,同時又與理論結(jié)果相吻合,證明了仿真模型的正確性和可行性,滿足了仿真的要求。
[1]富 喜.模擬仿真技術(shù)在船舶推進裝置中的應(yīng)用[J].中外船舶科技,2004(3):16-20.
[2]翁史烈.船舶動力裝置仿真技術(shù)[M].上海:上海交通大學出版社,1991.
[3]李殿璞,王宗義.螺旋槳特性四象限Chebyshev擬合式的建立與深水潛艇直航全工況運動仿真的實現(xiàn)[J].計算機仿真學報,2002(7):635-639.
[4]程國瑞.船舶動力裝置原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.