劉世偉

(武漢交通職業(yè)學(xué)院 船舶與航運(yùn)學(xué)院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

作為船舶重要的動(dòng)力裝置，船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)不僅直接影響船舶的速度、操縱性、燃油效率等性能指標(biāo)，而且也對船舶的安全性、環(huán)保性等具有重要影響。船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)需要滿足推進(jìn)效率、燃油消耗率、加速可靠性的需求[1–3]。為使船舶航行滿足排放要求和經(jīng)濟(jì)效益需求，研究船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，優(yōu)化船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能，提升船舶在不同工況下的航行可靠性[4]。

目前，已有相關(guān)學(xué)者針對船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)化問題展開研究。郝立穎等[5]建立了船舶推進(jìn)器的故障模型，充分考慮船舶推進(jìn)器失效、卡死和中斷的故障情況，將自適應(yīng)滑?？刂破鲬?yīng)用于船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中，保證船舶行駛受到外界擾動(dòng)以及發(fā)生故障時(shí)，具有較高的信號(hào)一致性，從而實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的控制。高澤宇等[6]將自適應(yīng)閾值方法應(yīng)用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，結(jié)合回歸支持向量機(jī)方法與模擬退火算法構(gòu)建動(dòng)力系統(tǒng)的常規(guī)狀態(tài)模型，結(jié)合滑動(dòng)時(shí)間窗口和自適應(yīng)閾值優(yōu)化動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能。以上方法雖然有效提升船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，但是未充分考慮海洋工作環(huán)境不可預(yù)測性以及復(fù)雜性，影響復(fù)雜環(huán)境下船舶的運(yùn)行性能。

為提升船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速靈活性，提出一種加速性能優(yōu)化策略。通過該方法提升船舶的航行動(dòng)力，以適應(yīng)復(fù)雜多變工況下的行駛環(huán)境。

1 動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化

1.1 船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)組成分析

通過船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，將船舶動(dòng)力主機(jī)與動(dòng)力副機(jī)形成的功，再通過推進(jìn)器轉(zhuǎn)換為航行推力[7]。本文以裝備了8臺(tái)推進(jìn)器的船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)為例展開研究。

1）可調(diào)螺距螺旋槳又稱為調(diào)距槳，利用調(diào)距槳調(diào)節(jié)船舶槳葉和槳轂，在船舶推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速固定情況下，通過調(diào)節(jié)調(diào)距槳螺距的大小，使得船舶推力與航行速度發(fā)生變化，滿足船舶前進(jìn)與后退的航行工況。船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的調(diào)距槳設(shè)置于船尾，調(diào)距槳作為船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的主推進(jìn)器，為船舶移動(dòng)提供動(dòng)力。調(diào)距槳可以滿足不同航行工況下的混合動(dòng)力船舶航行需求，充分吸收船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的功率，具有較高的動(dòng)力利用率，可以延長船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的使用壽命[8]。調(diào)距槳無需調(diào)節(jié)船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速，僅通過調(diào)節(jié)螺旋槳參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)船舶在不同工況下的航行功能調(diào)節(jié)，通過螺旋槳提升船舶的操作性能。

2）船舶的橫向推力利用側(cè)推進(jìn)器產(chǎn)生?？烧{(diào)距螺旋槳側(cè)推和噴水推進(jìn)側(cè)推是為船舶提供側(cè)推力的主要方式。調(diào)距槳側(cè)推通過調(diào)節(jié)槳葉螺距，調(diào)節(jié)船舶推力大小。側(cè)推進(jìn)器具有操作簡單的優(yōu)勢，對于具有較高靈活性與操縱性需求的船舶，在復(fù)雜工況下仍然可以利用側(cè)推進(jìn)器提升船舶的航行與作業(yè)能力。

3）全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器可以圍繞船舶立軸的軸線全方位旋轉(zhuǎn)，為船舶提供不同的航行功能。利用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，滿足船舶高操作性能需求，為船舶動(dòng)力定位的精準(zhǔn)執(zhí)行提供保障。吊艙推進(jìn)器和Z型傳動(dòng)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，是船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置常用的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，二者具有相似的水動(dòng)力性能。

1.2 船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字模型

船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)不受外界干擾力和外界干擾力矩的影響，其中的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，為船舶從不同方向形成最大的推力。利用側(cè)推進(jìn)器為船舶提供橫向推力，提升船舶的操作性能。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與普通的螺旋槳相同，水阻力矩和推力是全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的主要性能參數(shù)。利用功率構(gòu)建全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的數(shù)學(xué)模型，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的功率計(jì)算公式如下：

式中：n與KQ分別為推進(jìn)器數(shù)量以及扭矩系數(shù)，D與ρ分別為螺旋槳的槳轂直徑以及海水密度，Q與KT分別為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水阻力矩以及推力系數(shù)，Tx與Ty分別為推進(jìn)器的橫向與縱向推力。

側(cè)推進(jìn)器通常安裝在船首或船尾的橫向?qū)Ч軆?nèi)。船舶螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)流體從導(dǎo)管流入或流出，流體流入與流出的壓力差，形成與導(dǎo)管平行的推力，船舶導(dǎo)管的流量與形成的側(cè)推力相關(guān)，導(dǎo)管流量越大時(shí)，船舶受到的側(cè)推力越大。

通過分析側(cè)推進(jìn)器的來流與噴流，計(jì)算船舶的側(cè)推力和力矩的表達(dá)式如下：

式中：Z為船體底部的浸濕面積，nx與ny分別為船體向外的單位法向量在船舶橫向與縱向的分量，F(xiàn)與M分別為側(cè)推進(jìn)器的噴流與船體干涉力在縱向的分力與力矩。

利用螺旋槳推力公式構(gòu)建船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)器模型。在船舶航行的過程中，推進(jìn)器在產(chǎn)生推力的同時(shí)，形成令船舶轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩。推進(jìn)器的安裝位置，與扭矩的計(jì)算和推力大小存在直接關(guān)聯(lián)。船舶扭矩總和計(jì)算公式為：

式中：xi，yi分別為船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)各推進(jìn)器的位置坐標(biāo)；Xi，Yi分別為橫向推力與縱向推力。利用以上過程構(gòu)建船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字模型，為船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1.3 加速性能優(yōu)化策略

1.3.1 船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速策略

依據(jù)上述所構(gòu)建的船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)制定加速策略。利用調(diào)速器設(shè)置固定的主機(jī)轉(zhuǎn)速，在動(dòng)力設(shè)備的單位步長內(nèi)，提升動(dòng)力設(shè)備的速率。設(shè)置船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速過程如下：

閉合船舶動(dòng)力主機(jī)離合器，為動(dòng)力主機(jī)設(shè)置固定的接排轉(zhuǎn)速。動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以恒定的增加率提升主機(jī)轉(zhuǎn)速，利用傳動(dòng)系統(tǒng)將主機(jī)形成的轉(zhuǎn)速和扭矩傳送至定距槳，推進(jìn)船舶加速。

采用氣體機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，對船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置恒定升速率。將功率/扭矩控制方法應(yīng)用于船舶軸帶電機(jī)中。船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)采用恒升速率加速時(shí)，船舶船槳模型的軸功率輸出實(shí)時(shí)結(jié)果，船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速增加率。為了保障船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速過程中保持較高的穩(wěn)定性。設(shè)定船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速限制的表達(dá)式如下：

式中：P1與P2分別為動(dòng)力電機(jī)的軸系功率以及額定功率，P′為動(dòng)力主機(jī)的最大持續(xù)功率。通過式（5）確定船舶動(dòng)力系統(tǒng)的加速限制值，控制船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速。

1.3.2 船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化策略

利用變頻器超前控制方法，優(yōu)化船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。將船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的變頻率，與軸系轉(zhuǎn)速的高采信號(hào)作為船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化的輸入，計(jì)算船舶動(dòng)力電機(jī)的輸出功率。采用軸帶電機(jī)扭矩控制方法控制船舶電機(jī)扭矩，船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)利用變頻器采集船舶車鐘手柄的最終位置，手柄的位置信號(hào)與船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速的目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)，結(jié)合穩(wěn)態(tài)負(fù)荷分配結(jié)果，確定船舶加速目標(biāo)對應(yīng)的船舶電機(jī)參數(shù)。為了保證加速穩(wěn)定性，設(shè)定船舶電機(jī)每個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)速下，扭矩增加限制為50 N·m。通過以上過程，完成船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化。

2 結(jié)構(gòu)與分析

為了驗(yàn)證船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化策略的有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)選取某艙容為8 000 m3的貨船作為研究對象。所選取船舶的設(shè)計(jì)航速為14.5 kn，選取2臺(tái)1 800 kW的氣體推進(jìn)主機(jī)作為船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力主機(jī)。利用Matlab軟件，模擬不同工況下船舶航行狀況，驗(yàn)證所研究方法有效性。

船舶與船舶螺旋槳的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 船舶與螺旋槳參數(shù)設(shè)置Tab.1 Ship and propeller parameter Settings

設(shè)置船舶以低速工況、服務(wù)航速工況等不同工況航行，在船舶航行30 s時(shí)，對船舶發(fā)出加速指令。采用本文方法優(yōu)化船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能，船舶加速的仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 船舶加速仿真結(jié)果Fig.1 Ship acceleration simulation results

可以看出，本文方法采用變頻器超前控制方法，對船舶加速性能進(jìn)行優(yōu)化，船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和主機(jī)功率較為平穩(wěn)，動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能優(yōu)越。加速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的跟隨性較高，可以快速達(dá)到加速目標(biāo)，具有較高的加速穩(wěn)定性。不同工況下，船舶航行的加速性能良好，有助于提升船舶航行的實(shí)際應(yīng)用性。

統(tǒng)計(jì)采用本文方法對船舶的加速性能，船舶速度變化結(jié)果如圖2所示。

圖2 船舶加速結(jié)果Fig.2 Ship acceleration results

可以看出，采用本文方法在不同工況模式對船舶進(jìn)行加速性能優(yōu)化，船舶的加速性能良好，可以保持穩(wěn)定的速度變化。船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)接收加速信號(hào)后，快速調(diào)節(jié)船舶速度，保障船舶在較短的時(shí)間內(nèi)滿足加速目標(biāo)需求。上述結(jié)果表明，本文方法具有較高的船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速優(yōu)化性能，可以為船舶的穩(wěn)定航行提供良好的基礎(chǔ)。

采用本文方法優(yōu)化船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能，船舶航行的燃油消耗率變化如圖3所示。

圖3 船舶燃油消耗率Fig.3 Fuel consumption rate of ships

可以看出，采用本文方法優(yōu)化船舶加速性能后，相比于未采用本文方法的情況，船舶的燃油消耗率明顯下降，驗(yàn)證本文方法可以提升船舶運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可以通過對船舶速度的控制，提升船舶航行的可靠性，降低船舶的燃油消耗率，實(shí)現(xiàn)船舶速度控制的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

針對船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能，本文進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升不同工況下船舶航行的加速性能。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過對船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)加速性能優(yōu)化，船舶加速穩(wěn)定性高，船舶航行的燃油消耗率下降幅度明顯，可以實(shí)現(xiàn)船舶加速性能的優(yōu)化。該方法具有較高的優(yōu)化船舶航行加速性能的優(yōu)勢，適用于不同工況下，船舶航行的實(shí)際應(yīng)用中。

本文的研究旨在探究如何優(yōu)化船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的加速性能，通過改善船舶動(dòng)力加速的效率，進(jìn)一步提高船舶的性能和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少船舶運(yùn)行中相互之間的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，降低海洋污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。