劉夢(mèng)覺，耿 鵬，梁樹甜

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螺旋槳負(fù)載的仿真數(shù)據(jù)管理技術(shù)分析

劉夢(mèng)覺，耿 鵬，梁樹甜

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

為確保電力推進(jìn)系統(tǒng)能滿足使用要求，通過(guò)仿真技術(shù)模擬真實(shí)的、復(fù)雜多變的螺旋槳負(fù)載來(lái)支持系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計(jì)。對(duì)螺旋槳負(fù)載的數(shù)據(jù)管理是船槳模型開發(fā)和設(shè)計(jì)的主要技術(shù)支撐。通過(guò)螺旋槳負(fù)載數(shù)據(jù)管理，研究人員就可正確、迅速地對(duì)其設(shè)計(jì)方案的流體動(dòng)力性能做出預(yù)報(bào), 并與其他具有相近使命要求的模型方案作比較。

電力推進(jìn)系統(tǒng) 螺旋槳負(fù)載 數(shù)據(jù)管理技術(shù)

0 序言

電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶上的使用日益普及。為確保電力推進(jìn)動(dòng)力及系統(tǒng)能滿足使用要求，一次成功裝備艦船，在研究設(shè)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證,檢驗(yàn)各設(shè)備的性能指標(biāo)、設(shè)備與設(shè)備之間的匹配性、設(shè)備與系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)一致性、系統(tǒng)與總體間接口的合理性等，以充分暴露、消除系統(tǒng)及所用設(shè)備存在的問(wèn)題，保證系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)良好。在電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程中負(fù)載常采用水力測(cè)功機(jī)，對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)及其設(shè)備的功能、性能等要求進(jìn)行測(cè)試，但水力測(cè)功機(jī)無(wú)法模擬或近似模擬出真實(shí)的、復(fù)雜多變的負(fù)載變化，從而無(wú)法充分測(cè)試中壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)。螺旋槳模擬負(fù)載根據(jù)擬定的負(fù)載曲線，控制四象限電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)負(fù)載，從而能模擬出更為真實(shí)的動(dòng)、靜態(tài)負(fù)載。螺旋槳負(fù)載仿真數(shù)據(jù)的管理是船槳模型開發(fā)和設(shè)計(jì)的主要技術(shù)支撐，通過(guò)螺旋槳負(fù)載仿真數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng), 測(cè)試者就可以更好的使用和分析船槳模型，并和其他方案進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而提高負(fù)載真實(shí)度和試驗(yàn)效率。在分析螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套完整的螺旋槳負(fù)載的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 螺旋槳負(fù)載的仿真數(shù)據(jù)

對(duì)螺旋槳負(fù)載特性的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行管理必須先對(duì)螺旋槳特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。螺旋槳通常有槳徑、伸張面積、盤面積、盤面比、螺距比、進(jìn)程、前進(jìn)速度、進(jìn)速比等參數(shù)。螺旋槳推進(jìn)時(shí)，還有推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、重力、水阻力等數(shù)據(jù)。

外部環(huán)境對(duì)推力損失的影響，主要是螺旋槳與船體相互影響、螺旋槳之間的相互干擾以及波浪引起的推力損失等[1]。并且這些影響因素是同時(shí)存在的，只是隨著環(huán)境或操作的改變，而使其各自占的影響程度不同，因此，很難精確的估計(jì)這些推力損失的具體數(shù)量，目前主要采用經(jīng)驗(yàn)公式加分析模型的結(jié)合方式。通常，推力損失考慮下列影響：

1）對(duì)于定速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，由于來(lái)流速度的變化，根據(jù)機(jī)翼理論，必然引起攻角的變化，從而引起螺旋槳的推力的波動(dòng)。

2）橫向流引起的推力損失。該種情況的損失主要是由于來(lái)流方向與螺旋槳的軸線垂直，從而導(dǎo)致螺旋槳的尾流像來(lái)流方向偏斜，因此相當(dāng)于引起了推力損失[2]。

3）波浪引起的推力損失。當(dāng)船舶在波浪中航行時(shí)，當(dāng)螺旋槳的有效浸深變得很小和螺旋槳重載時(shí)，螺旋槳葉片上的壓力降低，將引起空氣吸入，而造成螺旋槳推力損失。同時(shí)還有螺旋槳部分或全部出水，“飛車”而產(chǎn)生的推力損失。由于波浪的隨機(jī)性，現(xiàn)在對(duì)波浪引起的推力損失多采用譜分析理論方法，通過(guò)譜密度函數(shù)來(lái)描述產(chǎn)生的推力損失的嚴(yán)重程度。

4）推進(jìn)器與船體干擾引起的推力損失（Coanda效應(yīng)）。兩個(gè)推進(jìn)器推力減少并改變推力方向時(shí)，由于尾流與船底的摩擦阻力變化，而引起的推力損失[3]。

5）推進(jìn)器之間的相互作用。如果沒(méi)有采用預(yù)防措施，相鄰的兩個(gè)推進(jìn)器之間由于彼此的尾流作用而產(chǎn)生非常大的推力減額[4]。

在DP或者航行模式下，主推進(jìn)器可能會(huì)由于惡劣的海況導(dǎo)致螺旋槳吸氣而造成推力損失。如果變頻器運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩或功率控制模式，這個(gè)瞬態(tài)波動(dòng)將會(huì)減少和變得平滑。

對(duì)于以上的各種情況，能量管理系統(tǒng)（PMS）都必須進(jìn)行有效的控制，保護(hù)發(fā)電設(shè)備以及保證能量供應(yīng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性。PMS能夠根據(jù)負(fù)載需求和控制模式，進(jìn)行發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)啟停，以保證實(shí)際的負(fù)載需求。

不同類型的損失的關(guān)系與螺旋槳和推進(jìn)器的使用類型，船鰭和尾鰭的應(yīng)用，以及船體設(shè)計(jì)和操作模式有關(guān)。

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，單位為r/s；

vp為螺旋槳的進(jìn)速，單位為m/s；

vs為船舶的速度，單位為m/s；

ω為伴流系數(shù)；

D為螺旋槳直徑，單位為m；

P為螺旋槳的推力，單位為N；

M為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；

ρ為海水的密度，單位為kg/m3，通常取1025 kg/m3。

通過(guò)上述的螺旋槳負(fù)載特性和船槳模型，我們了解到在試驗(yàn)負(fù)載模擬時(shí)，有大量參數(shù)需要設(shè)置，大量的仿真結(jié)果需要記錄。這些數(shù)據(jù)如果使用手動(dòng)記錄，將十分繁瑣，同時(shí)容易產(chǎn)出錯(cuò)誤，不利于試驗(yàn)結(jié)論的得出。同時(shí)電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)提供負(fù)載時(shí)，難以操作。因此需要建立一個(gè)完善的數(shù)據(jù)管理方法，對(duì)整個(gè)螺旋槳特性的計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)和結(jié)果記錄下來(lái)。

2 仿真數(shù)據(jù)的管理

螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是對(duì)試驗(yàn)負(fù)載系統(tǒng)運(yùn)行分析的重要基礎(chǔ)，所以必須要求數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定可靠。

為此擬采取如下措施：

1）數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余設(shè)計(jì)；

2）嚴(yán)格的用戶認(rèn)證體系，防止數(shù)據(jù)使用期間錯(cuò)誤操作；

3）分層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和有效的數(shù)據(jù)文件權(quán)限限制保護(hù)措施，保證數(shù)據(jù)安全準(zhǔn)確；

4）采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，各項(xiàng)功能模塊相對(duì)獨(dú)立，具備一定的容錯(cuò)能力，便于應(yīng)急調(diào)整；

2.1整體設(shè)計(jì)

螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為軟件和硬件兩部分。

如圖1，螺旋槳負(fù)載數(shù)據(jù)系統(tǒng)的硬件部分由冗余服務(wù)器、仿真計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)、試驗(yàn)負(fù)載控制計(jì)算機(jī)組成。仿真計(jì)算機(jī)讀取船型、海況參數(shù)，生成對(duì)應(yīng)的螺旋槳負(fù)載特性曲線，提供給試驗(yàn)使用。數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳負(fù)載曲線和船型、海況等參數(shù)的管理。系統(tǒng)采用冗余服務(wù)器，所有數(shù)據(jù)雙份存儲(chǔ)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性[5]。

如圖2，螺旋槳負(fù)載數(shù)據(jù)系統(tǒng)的軟件部分由有船型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、海況參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、負(fù)載曲線數(shù)據(jù)庫(kù)、仿真軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)向試驗(yàn)負(fù)載軟件提供負(fù)載數(shù)據(jù)的調(diào)用接口。

電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)負(fù)載系統(tǒng)最終的目的是為電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)提供螺旋槳負(fù)載曲線，用于對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的測(cè)試。

2.2負(fù)載特性

螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)方面的要求：快速查詢和穩(wěn)定性。螺旋槳模擬系統(tǒng)中控制器通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取負(fù)載特性曲線，并根據(jù)負(fù)載特性曲線控制電動(dòng)機(jī)輸出負(fù)載，控制器對(duì)于負(fù)載特性曲線的獲取方式可以采用兩種方式：一次獲取或多次獲取。一次獲取的方式是在模擬前查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取負(fù)載特性曲線并存儲(chǔ)到本地存儲(chǔ)器，模擬過(guò)程中從本地存儲(chǔ)器上讀取負(fù)載特性曲線信息，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢響應(yīng)時(shí)間要求低，缺點(diǎn)是對(duì)控制器的存儲(chǔ)空間要求較高，且不易在線修改負(fù)載特性曲線；多次獲取克服了一次獲取缺點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢響應(yīng)時(shí)間要求高。螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)存儲(chǔ)負(fù)載特性曲線上的采樣點(diǎn)來(lái)近似存儲(chǔ)負(fù)載特性曲線，因此，采樣點(diǎn)越密集，存儲(chǔ)的負(fù)載特性曲線的信息損失越小。采樣點(diǎn)密集同時(shí)也造成單個(gè)負(fù)載特性曲線數(shù)據(jù)量大，進(jìn)而造成整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)量增大，大量的數(shù)據(jù)會(huì)造成數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)時(shí)間的降低。在大量數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)更為合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、制定更為高效的查詢優(yōu)化策略等方式，來(lái)保證數(shù)據(jù)庫(kù)查詢響應(yīng)時(shí)間滿足螺旋槳模擬負(fù)載系統(tǒng)的要求，成為螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)技術(shù)研究研究重點(diǎn)之一。

通過(guò)對(duì)螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及可靠性研究來(lái)保證數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)生部分損壞時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)受損，整個(gè)系統(tǒng)能正常運(yùn)作。

2.3船型參數(shù)

從前文中，我們了解到船舶在前進(jìn)的過(guò)程中會(huì)遇到外界阻力，其中很大一部分成都決定于船體本身和螺旋槳的特性。根據(jù)前文的分析，我們可以得到下列船體和螺旋槳特性將影響到裸船體阻力：

槳額定轉(zhuǎn)速,槳直徑,螺距比，槳葉數(shù),盤面比,槳浸深，船舶排水量,船舶質(zhì)量,附水系數(shù),額定船速,船長(zhǎng),設(shè)計(jì)水線長(zhǎng),兩柱間長(zhǎng),船寬,吃水,長(zhǎng)寬比,吃水寬度比,方型系數(shù),棱形系數(shù),中剖面系數(shù),水上正投面積，水上側(cè)投面積，正航減額系數(shù),倒航減額系數(shù)，濕表面積，浮心縱向位置。

建立船型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，將不同船型的船體和螺旋槳參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，有利于仿真模型的使用，不必要每次仿真時(shí)都填寫相關(guān)參數(shù)，節(jié)省每次仿真的時(shí)間。同時(shí)有利于不同船型的參數(shù)比較。用于分析船型對(duì)負(fù)載的影響，總結(jié)規(guī)律。提高螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)用性。

2.4海況參數(shù)

船舶在海中航行，除了船型本身，還會(huì)受到海況的影響。其中影響船舶航行的主要有這些參數(shù)：海水密度,空氣密度,風(fēng)壓系數(shù),絕對(duì)風(fēng)速,風(fēng)向角,波浪來(lái)向角度,水絕對(duì)流速,流的角度,水粘性系數(shù)

建立航行海況數(shù)據(jù)庫(kù)，將不同海況的海水和空氣參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，有利于仿真模型的使用，不必要每次仿真時(shí)都填寫相關(guān)參數(shù)，節(jié)省每次仿真的時(shí)間。同時(shí)有利于不同船型的參數(shù)比較。用于分析船型對(duì)負(fù)載的影響，總結(jié)規(guī)律。提高螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)用性。

2.5人機(jī)交互

數(shù)據(jù)的使用離不開人機(jī)交互界面，螺旋槳負(fù)載特性的計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)將提供兩個(gè)部分的人機(jī)交互界面。一部分是通過(guò)MATLAB的GUI界面進(jìn)行螺旋槳負(fù)載特性仿真使用，另一部分是螺旋槳負(fù)載特性的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

螺旋槳負(fù)載特性的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，主要用于不同船型、海況參數(shù)的查詢和對(duì)比。通過(guò)檢索負(fù)載曲線數(shù)據(jù)，生成各種相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。查詢航速，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，功率的變化規(guī)律和相互關(guān)系。

3 總結(jié)

本文依據(jù)當(dāng)前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展形勢(shì)和電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)需求，結(jié)合螺旋槳負(fù)載特性的仿真技術(shù)，提出了對(duì)仿真數(shù)據(jù)的一種管理方式。通過(guò)分析螺旋槳負(fù)載仿真的數(shù)據(jù)需求和數(shù)據(jù)輸出，將數(shù)據(jù)管理分為負(fù)載特性曲線，船型參數(shù)、海況參數(shù)、人機(jī)交互界面四個(gè)部分，提出了數(shù)據(jù)庫(kù)安全保障辦法。有助于提高螺旋槳負(fù)載仿真數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，提高仿真負(fù)載的真實(shí)性，便于對(duì)螺旋槳負(fù)載的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。對(duì)進(jìn)行螺旋槳負(fù)載的數(shù)據(jù)管理管理具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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Analysis of Simulation Data Management Technologies for Propeller Load

Liu Mengjue, Geng Peng, Liang Shutian

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM743

A

1003-4862（2016）05-0008-04

2015-12-09

劉夢(mèng)覺（1989-），男，碩士。研究方向：船舶電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。