彭 磊

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船是一種現(xiàn)代高性能船舶，依靠墊升風(fēng)機(jī)向船體底部圍裙包絡(luò)面內(nèi)快速充入壓力空氣，將船體抬升至完全脫離水面或陸地，減小船體所受的阻力，同時(shí)依靠空氣螺旋槳推進(jìn)，使船體可以在水面或陸地上高速航行。全墊升氣墊船具有超淺吃水、靜水快速性好、兩棲性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍用運(yùn)輸和民用運(yùn)輸方面均具有廣泛的用途。

全墊升氣墊船的動(dòng)力系統(tǒng)與常規(guī)艦船差別較大，一般中大型氣墊船均以燃?xì)廨啓C(jī)作為主動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)空氣螺旋槳和墊升風(fēng)機(jī)。大部分氣墊船的傳動(dòng)形式為機(jī)槳扇串聯(lián)直接傳動(dòng)，采用機(jī)槳扇聯(lián)合操縱控制系統(tǒng)；也有部分氣墊船采用推進(jìn)與墊升系統(tǒng)分離獨(dú)立運(yùn)行的傳動(dòng)形式，機(jī)槳與機(jī)扇各自匹配控制。目前國(guó)內(nèi)有不少有關(guān)機(jī)槳扇串聯(lián)直接傳動(dòng)的氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真研究［1-2］，且以實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真計(jì)算值進(jìn)行修正，大大提高了仿真精度，但對(duì)采用機(jī)槳與機(jī)扇獨(dú)立分離運(yùn)行的氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真的研究則較少。由于傳動(dòng)形式的不同，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也大不相同。因此，為更全面了解和掌握具有不同傳動(dòng)形式的氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)性能，為氣墊船動(dòng)力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考，有必要開(kāi)展某氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真研究。

本文以某全墊升氣墊船為研究對(duì)象，該氣墊船采用推進(jìn)與墊升系統(tǒng)分隔運(yùn)行的傳動(dòng)形式，通過(guò)對(duì)該船動(dòng)力系統(tǒng)建模，利用仿真方法進(jìn)行計(jì)算分析，研究該船動(dòng)力系統(tǒng)性能。

1 動(dòng)力系統(tǒng)模型

1.1 物理模型

本文的研究對(duì)象是某全墊升氣墊船的動(dòng)力系統(tǒng)和船體運(yùn)動(dòng)特性，動(dòng)力系統(tǒng)包括推進(jìn)與墊升燃?xì)廨啓C(jī)、墊升風(fēng)機(jī)、空氣螺旋槳、螺旋槳減速器、螺距控制單元和風(fēng)機(jī)控制單元等，船體運(yùn)動(dòng)特性包括艇體、海況等內(nèi)容。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖參見(jiàn)圖1。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型

該氣墊船采用的燃?xì)廨啓C(jī)由進(jìn)氣道、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、動(dòng)力渦輪以及排氣道組成，功率為前端輸出，其工作原理如圖2所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理圖

該氣墊船所選燃?xì)廨啓C(jī)的功率特性曲線(xiàn)如下頁(yè)圖3所示。

根據(jù)圖3，可擬合得到燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)學(xué)模型公式：

式中：Ne為燃機(jī)實(shí)際功率，kW； gk為工況；ne為動(dòng)力渦輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；neopt為最佳動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速（圖3中每條拋物線(xiàn)最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值），r/min。

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)功率-轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)

1.3 推進(jìn)系統(tǒng)模型

1.3.1 空氣變距螺旋槳模型

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到螺旋槳的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Tp為螺旋槳推力，kN；φ為螺距角，°；V為空氣來(lái)流速度，m/s；np為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min；npmax為螺旋槳最大轉(zhuǎn)速，r/min；Np為螺旋槳功率，kW。

1.3.2 推進(jìn)軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

推進(jìn)減速器的效率取0.98，則推進(jìn)軸系的數(shù)學(xué)模型為：

1.4 墊升系統(tǒng)模型

1.4.1 墊升風(fēng)機(jī)模型

根據(jù)該氣墊船墊升風(fēng)機(jī)縮尺模型試驗(yàn)得到墊升風(fēng)機(jī)的無(wú)因次特性曲線(xiàn)，可計(jì)算墊升風(fēng)機(jī)的吸收功率為：

式中：Nf為風(fēng)機(jī)吸收功率，kW；Qf為風(fēng)機(jī)流量，m3/s；ηf為風(fēng)機(jī)效率，一般取0.85；風(fēng)機(jī)壓力為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

1.4.2 墊升軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

單舷墊升軸系為1臺(tái)燃機(jī)通過(guò)1臺(tái)中間減速器、數(shù)個(gè)中間支撐以及2臺(tái)墊升風(fēng)機(jī)減速器，分別驅(qū)動(dòng)2臺(tái)軸流式墊升風(fēng)機(jī)。由于軸系較長(zhǎng)，故中間支撐較多，單舷墊升軸系有8個(gè)中間支撐軸承。墊升系統(tǒng)中各減速器效率均取0.98，軸承效率取0.997，因此墊升軸系運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

式中：Mf為墊升風(fēng)機(jī)扭矩（折算至燃機(jī)輸出端），N·m，；if為墊升風(fēng)機(jī)與燃機(jī)間減速比；I2為墊升軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

1.5 機(jī)槳扇控制系統(tǒng)模型

該氣墊船推進(jìn)系統(tǒng)與墊升系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，控制系統(tǒng)采用機(jī)槳與機(jī)扇分開(kāi)控制的模式，控制模型由三部分組成：一塊是燃機(jī)啟動(dòng)階段的時(shí)序控制模型，一塊是燃機(jī)轉(zhuǎn)速控制模型，另一塊是螺旋槳變距操縱控制模型。

在研究中對(duì)該氣墊船的控制模型采用增量式PID控制器，與傳統(tǒng)位置式PID控制器相比，不必采用以往誤差值的累加量，只需考慮誤差值的增量，可使誤動(dòng)作時(shí)造成的影響較小，也容易通過(guò)加權(quán)處理得到比較理想的控制效果［3］。

1.6 船體阻力模型

全墊升氣墊船運(yùn)行于水氣界面，船體所受阻力較復(fù)雜，其靜水阻力一般可表示為［4-5］：

式中：Ra為空氣型阻力，kN；Rm為動(dòng)量阻力，kN；Rz為氣墊興波阻力，kN；Rse為縱傾阻力，kN；Rsw為圍裙?jié)袼枇Γ琸N為圍裙興波阻力，kN為風(fēng)浪中型阻力增量，kN為風(fēng)浪動(dòng)量阻力增量，kN； 為風(fēng)浪中圍裙?jié)袼枇υ隽?，kN。以上各阻力通過(guò)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，然后根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行修正。

1.7 船體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)牛頓第二定律，該船體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

式中：α為推力減額系數(shù)，一般取0.05；Vs為船的絕對(duì)速度，m/s；m為船的質(zhì)量，kg。

2 仿真方法及驗(yàn)證

氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性、非定常系統(tǒng)，各部分的時(shí)間常數(shù)相差很大。因此，本文采用Ode5（Dormand-Prince）法對(duì)該氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。仿真軟件以Matlab語(yǔ)言及Simulink工具箱為基礎(chǔ)，并結(jié)合該氣墊船的部分參數(shù)所研發(fā)。［6］圖4 -圖6為所研發(fā)的仿真框圖。

圖4 燃機(jī)起動(dòng)仿真模型

圖5 墊升系統(tǒng)仿真模型

圖6 變工況仿真模型

在進(jìn)行系統(tǒng)仿真計(jì)算前，對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，選取氣墊船典型工況和參數(shù)設(shè)定值（取0～1級(jí)海況，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速7 200 r/min），將系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。比較結(jié)果參見(jiàn)表1。

由表1可知，系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果偏差較??；取其他典型工況和海況條件，系統(tǒng)仿真計(jì)算的結(jié)果也與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可以驗(yàn)證本文所建仿真模型合理有效。

表1 系統(tǒng)仿真計(jì)算和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果比較

3 動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真研究

3.1 起動(dòng)過(guò)程模擬仿真

該氣墊船起動(dòng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一是燃機(jī)起動(dòng)過(guò)程，需要將該氣墊船的所有燃機(jī)起動(dòng)并進(jìn)入慢車(chē)暖機(jī)狀態(tài)，直至暖機(jī)結(jié)束。此時(shí)氣墊船具備了出航的條件，但仍無(wú)法立即加速航行。第二個(gè)階段是該氣墊船墊升過(guò)程，即通過(guò)升高驅(qū)動(dòng)墊升風(fēng)機(jī)的燃機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速至某特定的轉(zhuǎn)速值，使氣墊船達(dá)到所需的墊升高度，確保船的阻力處于較小的狀態(tài)。此后，只要提高推進(jìn)工況，氣墊船即可快速航行。整個(gè)起動(dòng)過(guò)程仿真參見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 燃機(jī)起動(dòng)過(guò)程仿真結(jié)果

從圖7可以看出，燃機(jī)起動(dòng)過(guò)程中低壓渦輪先旋轉(zhuǎn)，到一定時(shí)間高壓渦輪也被帶轉(zhuǎn)，最后是動(dòng)力渦輪被帶轉(zhuǎn)，低壓渦輪、高壓渦輪、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速升高至一定值后保持穩(wěn)定，即燃機(jī)進(jìn)入慢車(chē)暖機(jī)階段。從圖8可見(jiàn)，墊升過(guò)程剛開(kāi)始時(shí)，燃機(jī)功率大于兩臺(tái)風(fēng)機(jī)功率的總和，主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，功率傳遞存在一定的延遲效應(yīng)；但當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)，燃機(jī)的輸出功率與兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的功率總和基本一致。

3.2 正常航行中變工況模擬仿真

距角，從而模擬氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。對(duì)靜水加速航行的仿真結(jié)果參見(jiàn)下頁(yè)圖9。

在氣墊船正常航行中，常用的操縱方式是保持墊升狀態(tài)和推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速不變，僅依靠調(diào)節(jié)螺距角來(lái)實(shí)現(xiàn)氣墊船加減速。因此本文在正常航行變工況模擬仿真中假設(shè)墊升工況不變，推進(jìn)軸系也維持在某一轉(zhuǎn)速下，在一定時(shí)間內(nèi)以1°/ s的速度增加螺

圖8 墊升過(guò)程仿真結(jié)果

圖9中兩條曲線(xiàn)表示在按1°/ s增加螺距角的操作下，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)不同最終螺距角狀態(tài)。從圖中可見(jiàn)，在增加螺距角后，螺旋槳推力、功率及船的航速都相應(yīng)增加，且螺距角增加越大，其對(duì)應(yīng)的螺旋槳推力、功率和船的航速也越高。另外，從圖中還可以看出，在500 s以下時(shí)，氣墊船處于低速航行狀態(tài)；而在600 s以后，航速快速增加，直至對(duì)應(yīng)螺距與推力的穩(wěn)定航速。其主要是因?yàn)闅鈮|船在這段時(shí)間內(nèi)有一個(gè)越阻力峰的過(guò)程，氣墊船只有越出阻力峰后才能達(dá)到較高航速。

圖9 正常航行變工況仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

本文在建立某氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型，并驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink軟件，仿真計(jì)算該氣墊船在起動(dòng)過(guò)程和正常航行中變工況過(guò)程的動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。其仿真結(jié)果有助于了解該氣墊船的動(dòng)力系統(tǒng)性能，并能對(duì)氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)控制裝置的設(shè)計(jì)提供一些參考。事實(shí)上，氣墊船在波浪中航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)模型遠(yuǎn)比文中采用的模型更為復(fù)雜得多。目前對(duì)于氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)的仿真研究大多采用簡(jiǎn)單的一維模型，因此，對(duì)于氣墊船動(dòng)力系統(tǒng)性能的仿真研究尚有待于進(jìn)一步加強(qiáng)并完善。

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