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(上海齊耀科技集團(tuán)有限公司，上海200090)

漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計

陸鵬，周曉潔，孫偉，譚琨，申卿

(上海齊耀科技集團(tuán)有限公司，上海200090)

針對某漁業(yè)資源調(diào)查船的作業(yè)需求，應(yīng)用柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計軟件進(jìn)行總體方案設(shè)計,完成傳動設(shè)計、初步匹配、柴電功率分配及終結(jié)匹配等設(shè)計和計算，實現(xiàn)該船的柴電功率分配及設(shè)備選型。

柴電混合；機(jī)槳匹配；功率分配；設(shè)備選型

柴電混合動力系統(tǒng)具有柴油機(jī)推進(jìn)、電力推進(jìn)、柴電并車混合推進(jìn)等多種工作模式，可發(fā)揮柴油機(jī)推進(jìn)和電力推進(jìn)2種動力形式的綜合優(yōu)勢，具有節(jié)能高效、操作靈活、可靠性高等諸多優(yōu)點。柴電混合動力是由柴油機(jī)和軸帶電機(jī)(或套軸式電機(jī))組成混合推進(jìn)的新型動力型式[1]，其運行模式多樣。目前，對船舶柴電混合動力系統(tǒng)的研究集中在原理、仿真或控制策略等的介紹[5-6]，而面對系統(tǒng)總體方案設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)備的選型則鮮有報導(dǎo)。本文應(yīng)用自主開發(fā)的船舶柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計軟件，結(jié)合螺旋槳圖譜法[7-8]對某漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計、設(shè)備選型設(shè)計及柴電功率分配分析，其結(jié)果可為類似的船舶柴電混合動力系統(tǒng)的設(shè)計和研究提供參考和指導(dǎo)。

1 柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計軟件

軟件結(jié)構(gòu)為樹狀，主要模塊關(guān)系見圖1。

圖1 柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)

第一層級菜單包括文件處理、系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫管理以及幫助等。其中系統(tǒng)設(shè)計包含快速性預(yù)報、方案設(shè)計、多方案評估、設(shè)備選型及軸系相關(guān)計算等；軟件的數(shù)據(jù)庫包含：設(shè)備數(shù)據(jù)庫、設(shè)計資料庫和軟件庫。由于不同設(shè)計過程需要交叉引用相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，所以多數(shù)據(jù)庫管理貫穿整個設(shè)計過程。數(shù)據(jù)庫采用內(nèi)部查找、引用，外部修改、增刪的管理方式，可以方便地進(jìn)行各項維護(hù)。數(shù)據(jù)庫各頁有相應(yīng)模板，從而保證程序引用的正確性和快速性。方案設(shè)計包括參數(shù)輸入、型式選擇、設(shè)備選型、機(jī)槳匹配計算、軸系計算、結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計等，最終出具完整的設(shè)計報告。此外，該軟件還能夠通過多種設(shè)計方案的輸入后，結(jié)合專家打分評價系統(tǒng)，進(jìn)行多方案評估并出具評估結(jié)果報告，從而明確哪種方案更加合理。

綜上所述，柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計軟件是一個綜合軟件，涉及到人機(jī)交互、文件處理、數(shù)據(jù)庫交叉應(yīng)用、動力系統(tǒng)方案設(shè)計、軸系校核計算、多方案評估、設(shè)計報告輸出等。限于篇幅，以某漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力系統(tǒng)為研究對象，對該漁業(yè)資源調(diào)查船在不同運行工況下系統(tǒng)的總體方案、推進(jìn)型式、工作模式、柴電功率分配、最大航速及系統(tǒng)布置等進(jìn)行設(shè)計分析，實現(xiàn)柴電混合動力系統(tǒng)方案主要設(shè)計過程。

該設(shè)計軟件在VB.net環(huán)境下編制完成，軟件啟動后界面見圖2，最上層的菜單按照圖1結(jié)構(gòu)為第一層級。點擊任何一個菜單可以在界面左側(cè)彈出對應(yīng)的第二層級下拉菜單。

圖2 柴電混合動力系統(tǒng)設(shè)計軟件界面

2 應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)輸入條件

某漁業(yè)資源調(diào)查船主推進(jìn)動力系統(tǒng)采用單機(jī)單槳(帶PTI推進(jìn)電機(jī))形式，設(shè)置1臺主推進(jìn)柴油機(jī)、1臺齒輪箱、1套軸系及可調(diào)槳、2只高彈、1套推進(jìn)電機(jī)及變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)。主推進(jìn)柴油機(jī)采用高速機(jī)，通過減速齒輪箱與軸系及螺旋槳相連。齒輪箱為2進(jìn)1出形式，輸入側(cè)通過高彈性聯(lián)軸器分別與主推進(jìn)柴油機(jī)和PTI變頻電機(jī)連接。

該設(shè)計軟件根據(jù)已知條件確定總體設(shè)計方案。設(shè)計參數(shù)越詳細(xì)，越能反映船舶真實的信息，則設(shè)計結(jié)果越精確。設(shè)計軟件需要的船舶設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 船舶設(shè)計參數(shù)

船體主要設(shè)計參數(shù)見表2；船體有效功率見表3(也可以是阻力[9])，對應(yīng)不同設(shè)計點的有效功率，一般由船模試驗獲得；該柴電混合動力系統(tǒng)輸出功率與設(shè)計航速的關(guān)系見表4。需要說明的是，航速作為柴電混合推進(jìn)動力系統(tǒng)的考核指標(biāo)并不全面，這里只是單純考慮達(dá)到設(shè)計航速所需功率是否小于主機(jī)能提供的功率即為滿足設(shè)計要求。實際還需考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)及噪聲振動指標(biāo)，等。

表2 船體主要參數(shù)

表3 船體有效功率

表4 系統(tǒng)組成及參數(shù)

2.2 混合動力系統(tǒng)設(shè)計步驟

步驟1。進(jìn)行參數(shù)輸入，界面見圖3。

圖3 參數(shù)輸入界面

在圖3的參數(shù)輸入界面中，按照提示輸入表1的相關(guān)數(shù)據(jù)。其中表2的船體主要參數(shù)和表3的有效功率曲線為軟件計算中必須要求的數(shù)據(jù)，并用“*”在界面上標(biāo)明。

步驟2。傳動設(shè)計選型，界面見圖4。

圖4 傳動設(shè)計選型設(shè)計界面

傳動設(shè)計選型是根據(jù)動力系統(tǒng)的配置進(jìn)行選擇傳動方案及設(shè)備。首先，按照軸系的數(shù)量分單槳、雙槳、三槳及四槳4大類進(jìn)行選擇。再細(xì)分成直接傳動(不帶齒輪箱)和間接傳動，間接傳動再進(jìn)一步細(xì)分成是否帶PTO/PTI，是否并車,等。另外，對可能出現(xiàn)設(shè)備不在列入的模式中或需要修改已有模式中默認(rèn)的設(shè)備時，還可以通過右下角的設(shè)備配置表進(jìn)行靈活選型。

步驟3。工作模式設(shè)置，有基本、經(jīng)濟(jì)、助推、應(yīng)急、電軸這5種常見模式供選擇，界面見圖5。

圖5 工作模式設(shè)置界面

針對該漁業(yè)資源調(diào)查船，設(shè)計要求具有基本模式(全柴推進(jìn))、柴電并車模式(booster)及電力推進(jìn)模式(PTI)。對于有其他型式的可以在上圖中各模式前的復(fù)選框中勾選，并將對應(yīng)的設(shè)計航速輸入其中。

步驟4。軟件內(nèi)置了初步匹配的計算流程，應(yīng)用螺旋槳圖譜法，自動求出各工況下的航速對應(yīng)的功率需求，點擊各工況的切換頁面顯示，見圖6。

圖6 初步匹配計算結(jié)果界面

對于圖6初步匹配結(jié)果，再根據(jù)柴電混合各工況功率需求計算，對柴油主機(jī)和PTI推進(jìn)電機(jī)的功率進(jìn)行推算，見圖7。

圖7 柴電功率分配推算結(jié)果界面

一旦確定各設(shè)備的功率，可在圖8所示的數(shù)據(jù)庫界面中進(jìn)行設(shè)備選型。

圖8 設(shè)備選型界面

根據(jù)初步匹配的參考值，再合理運用通配符，可能選出多個合適的設(shè)備，設(shè)計者可根據(jù)一定冗量在設(shè)備數(shù)據(jù)庫中對設(shè)備進(jìn)行選擇，確定后的選型結(jié)果顯示在圖9的界面中，系統(tǒng)組成的主要部件可分頁顯示。

圖9 設(shè)備選型結(jié)果界面

步驟5。終結(jié)匹配計算最大航速和螺旋槳效率，見圖10。

圖10 終結(jié)匹配界面

終結(jié)匹配是主機(jī)選定后，根據(jù)輸入主機(jī)的功率，限定螺旋槳直徑和盤面比，再根據(jù)圖譜槳的設(shè)計確定螺旋槳充分吸收主機(jī)功率后能達(dá)到的最大航速及此時螺旋槳效率和螺距比等參數(shù)。

步驟6。根據(jù)設(shè)備組成形成軸系布置圖，首先形成草圖，見圖11。

圖11 軸系布置草圖界面

由于設(shè)備按照傳動的關(guān)系連接在一起成為整套動力系統(tǒng)，故只要確定一個最邊緣的設(shè)備位置(可以是主機(jī)，也可以是螺旋槳)就可以按照其他設(shè)備之間的相對位置及設(shè)備自身尺寸來確定軸系布置圖。例如：螺旋槳位于1號肋位處，可根據(jù)相連的槳軸及其長度確定齒輪箱輸出端的位置，再根據(jù)齒輪箱尺寸以及PTI高彈和主機(jī)高彈的位置分別確定PTI位置和主機(jī)位置，如此順序連接從而實現(xiàn)整套動力系統(tǒng)的軸系形成。簡圖的繪制，可以顯示并判斷軸系各設(shè)備的位置關(guān)系是否正確。

將各設(shè)備廠商提供的設(shè)備CAD圖，用CAD的制塊命令形成相應(yīng)的圖塊，按照上述草圖的連接原則調(diào)用各設(shè)備圖塊，最終構(gòu)成軸系的設(shè)計總圖，見圖12。

圖12 軸系設(shè)計總圖與CAD關(guān)聯(lián)出圖

軸系中各設(shè)備是按照一定的相對位置連接而成的。根據(jù)各設(shè)備的CAD塊圖，并依據(jù)插入點(通常為連接點)位置，軟件可自動調(diào)用AutoCAD實現(xiàn)軸系設(shè)計總圖的自動拼接、顯示和保存，方便使用者對整個系統(tǒng)有直觀的認(rèn)識。同時也可以在此基礎(chǔ)上標(biāo)注尺寸和明細(xì)，實現(xiàn)工程出圖。

3 計算結(jié)果分析

由于初步匹配解決了達(dá)到設(shè)計要求的功率需求，同時也考核了初步選定的設(shè)備是可以滿足設(shè)計要求的。還需確定：①柴電混合動力系統(tǒng)中柴電功率的分配，由此確定各設(shè)備的功率，達(dá)到設(shè)備選型的目的；②需要知道在確定的功率下，該船舶螺旋槳吸收相應(yīng)功率，能產(chǎn)生最大的航速和最優(yōu)化的螺旋槳設(shè)計參數(shù)。

3.1 柴電功率分配及設(shè)備選型

根據(jù)設(shè)計航速及初步匹配計算結(jié)果來考核原選擇的設(shè)備是否能滿足各工況的需求。表5的“初步匹配計算結(jié)果”均小于原選設(shè)備的功率，滿足設(shè)計要求。另外，表中的敞水效率和螺距比反映了不同設(shè)計航速下調(diào)距槳的狀態(tài)。

表5 初步匹配計算結(jié)果與初選設(shè)備的比較

結(jié)果(圖6、7)顯示各工況下柴油主機(jī)和推進(jìn)電機(jī)的功率需求分別為970.4和133.73 kW。也可以通過柴電并車的功率需求(1 118.5 kW)減去柴油主機(jī)功率需求(970.4 kW)，由此結(jié)果可推算出推進(jìn)電機(jī)的功率配置(148.1 kW)。兩者相差不大，都可以達(dá)到柴電功率分配的目的，從而幫助設(shè)計者在對應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)庫中選擇相應(yīng)合適的設(shè)備，一般應(yīng)選擇其中較大者。再考慮不同工況下主機(jī)功率對應(yīng)不同的航速，且此時螺旋槳的敞水效率和螺距比不同，相對于助推工況下的最大航速，敞水效率和螺距比都擴(kuò)大了近1.12倍(敞水效率0.609/0.541；螺距比0.93/0.83)，折算PTI的近似功率需達(dá)到185 kW才能滿足設(shè)計要求，考慮效率和冗余因素，PTI的功率需求還需相應(yīng)放大。

根據(jù)上述計算結(jié)果：主推進(jìn)柴油機(jī)功率需大于970 kW；PTI功率需大于185 kW作為輸入條件，在設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的設(shè)備，其選型界面仍為圖8。再綜合考慮頻率、轉(zhuǎn)速、電壓等技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性及可維修性等要求，達(dá)到合理選型的目的。

3.2 終結(jié)匹配

初步匹配設(shè)計的結(jié)果可以滿足各工況下設(shè)計航速要求，即達(dá)到設(shè)計航速所需功率小于實際提供的功率。同時，還需考慮在原選擇設(shè)備條件下，即柴油機(jī)單獨推進(jìn)1 007 kW、柴電混合總功率1 227 kW和PTI推進(jìn)電機(jī)單獨推進(jìn)220 kW下，各自能達(dá)到的最大航速、敞水效率和螺距比等。這一過程即為終結(jié)匹配。

以柴油機(jī)單獨推進(jìn)為例，把已知型號的柴油機(jī)從數(shù)據(jù)庫中選擇出來后，再將其功率以及螺旋槳的直徑和盤面比作為輸入條件，進(jìn)行終結(jié)匹配，按照終結(jié)匹配流程，結(jié)合螺旋槳的圖譜法，軟件計算出此時的最高航速以及螺旋槳吸收相應(yīng)主機(jī)功率后優(yōu)化的螺距比和敞水效率(槳效率)。

同上，分別輸入柴電混合推進(jìn)功率1 227 kW及PTI功率220 kW，結(jié)果見表6。

由表6可見，終結(jié)匹配的計算結(jié)果均大于設(shè)計航速要求，誤差小于0.5 kn，且相對誤差都是正偏離，故原選擇的設(shè)備滿足設(shè)計要求。

表6 終結(jié)匹配計算結(jié)果

4 結(jié)論

漁業(yè)資源調(diào)查船柴電混合動力設(shè)計的應(yīng)用分析表明，初步匹配(確定功率需求)、柴電混合功率分配以及終結(jié)匹配(確定柴電功率已知下最大航速)均能滿足設(shè)計要求，且精度較高。但同時，針對柴電混合的工況復(fù)雜性，軟件的簡化處理是誤差的主要來源。

該設(shè)計軟件結(jié)合了總體方案設(shè)計、傳動選型、機(jī)槳匹配計算、設(shè)備選型、柴電功率分配等方法或算法，使柴電混合設(shè)計從經(jīng)驗設(shè)計初步轉(zhuǎn)化成自主設(shè)計，提高了設(shè)計靈活度、減輕了工作強(qiáng)度，界面美觀、人機(jī)交互性強(qiáng)，方便相關(guān)設(shè)計人員使用，具有很好的推廣價值?？紤]到該設(shè)計軟件對功率和航速的分析依賴螺旋槳圖譜法，故從提高該設(shè)計軟件的應(yīng)用范圍和計算精度的目的來看，下一步的研究重點是搜集整理其他各型螺旋槳的槳譜，以充實螺旋槳槳譜數(shù)據(jù)庫。

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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

國家科技支撐計劃課題資助(2014BAG04B02)

陸鵬(1977—)，男，博士，高工

研究方向：船舶與海洋工程