雙速比拖網漁船機槳網匹配動態特性研究*

黃文超,黃溫赟,趙新穎

(1.農業部 遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；2.中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，上海 200092)

0 引 言

拖網漁船在拖網工況下由于阻力系數增大，漁船螺旋槳的進速比會降低，漁船主機和螺旋槳匹配的工作點發生變化，此時傳統推進方式漁船會采取降低主機轉速的方式降低主機功率，使主機保持在額定工作范圍內。主機在低轉速大扭矩的工況下不僅油耗率升高，而且可靠性會降低。配備雙速比齒輪箱的漁船具備兩檔速比，一檔為正常航行速比，一檔為拖網作業速比[1]。當齒輪箱切換進入拖網速比時，漁船可以在保持主機轉速不變的情況下降低螺旋槳轉速，既可以使主機在相對高轉速的情況下承受較低的扭矩提高漁船運行的可靠性，又可以保障漁船運營的經濟性。雙速比推進方式十分適用于拖網漁船[2]。

本文將以雙甲板冷凍艉滑道拖網漁船為研究對象，在傳統單速比推進方式的基礎上進行動力系統優化，使用更適合拖網作業的雙速比齒輪箱，并對雙速比推進方式進行仿真分析，再結合實船運行及捕撈作業情況進行驗證。

1 船機槳網匹配理論模型及摩洛哥漁船主要參數

根據船體阻力特性、主機功率特性、船舶螺旋槳特性和網具阻力特性，建立漁船的船機槳網匹配理論模型[3]，如圖1所示。

圖1 船機槳網匹配理論模型

在該模型中進速比如下所示：

(1)

在該模型中螺旋槳扭矩如下所示：

M=Kmρn2D4

(2)

在該模型中螺旋槳推力如下所示：

P=Kpρn2D4

(3)

式中：n—螺旋槳轉速；vp—螺旋槳進速；D—螺旋槳直徑；Km—螺旋槳扭矩系數；Kp—螺旋槳推力系數；ρ—海水的密度。

扭矩系數Km和推力系數Kp隨螺旋槳的進速比J變化，變化規律根據Km—J和Kp—J特性曲線。

摩洛哥雙速比漁船、齒輪箱、螺旋槳及網具主要參數如表1所示。

表1 漁船、齒輪箱、螺旋槳及網具主要參數

2 螺旋槳特性曲線擬合

船舶穩定航行時，進速比J在一個較小的范圍內變動，可是在動態情況下，Vp和n都會有大幅度的變化。當n趨近于0時，J趨近于無窮大。在理論上當然是可行的，但對于仿真分析來講，一個自變量變化很大的函數無論對于數字仿真還是模擬仿真都是需要消耗計算系統很大的空間和很多時間的[4]。

因此，為滿足螺旋槳動態仿真要求，需要對螺旋槳敞水特性進行改進，本研究采用四象限螺旋槳特性的形式來表達。根據螺旋槳轉速n和進速vp的不同，可把螺旋槳的工況分為4個象限，即第一象限(n>0，vp>0)，第二象限(n<0，vp>0)，第三象限(n<0，vp<0)，第四象限(n>0，vp<0)。

在n和Vp不同時為零時[5]，進速比如下式所示：

(4)

式中：ω—伴流系數。

推力系數如下所示：

(5)

扭矩系數如下所示：

(6)

從而得到J′和J的函數轉化關系：

(7)

Kp′、Km′與J′的函數關系式為：

(8)

(9)

由此可知，改進后的螺旋槳推力系數和扭矩系數可以表示為：

Kp＇=Kp＇(J＇)，Km＇=Km＇(J＇)。

諾爾特斯特洛姆系列試驗圖譜是哥德堡水池進行的盤面比0.45，槳葉數4，螺距比0.0～1.6的全程試驗圖譜[6-7]。由于它生動地反映了螺旋槳從進到退和從退到進的不等現象，而且螺距比變化范圍大，在推進仿真上，尤其有用。從純粹數值擬合角度來看，由于其具有變化比例特點，處理上具有一定的代表性，本研究選用該圖譜。

3 基于Chebyshev多項式的螺旋槳特性曲線解析形式

曲線形式雖然直觀，但不便于進行數學分析和建立模型，從設計和仿真需要出發，最好采用解析形式。本研究采用Chebyshev多項式將螺旋槳特性曲線表現為解析形式。一般地說，在[-1，1]上有連續導數的函數可近似用n階Chebyshev多項式來表示，即：

(10)

式中：T0(x)=1，T1(x)=x，T2(x)=2x2-1，T3(x)=4x3-3x，……，Tk(x)是以x為自變量的多項式，它是無量綱的，其一般遞推形式是Tk+1(x)-2xTk(x)+Tk-1(x)=0，k=1,2，……，n。

對該特性曲線做Chebyshev多項式分析：

(11)

(12)

從精度和時間效率兩方面考慮，本研究決定采用8階的Chebyshev多項式。本研究采用螺距比1.1時的系數a0～a8組成多項式。具體系數如表2、表3所示[8]。

表2 螺旋槳推力特性多項式系數a0-a8

表3 螺旋槳扭矩特性多項式系數a0-a8

4 船機槳網匹配數學模型

由上述分析可知,螺旋槳扭矩為：

(13)

由上述分析可知,螺旋槳推力為：

(14)

由上述分析可知,螺旋槳實際推力為：

(15)

式中：t—推力減額系數。

本研究只討論正車的情況，根據經驗t取0.13。

船體阻力由裸船體阻力和附加阻力兩部分組成，均隨航速的增加而增加，根據實船數據和船模試驗的結果表明，船舶正常航行時船體阻力可簡化為：

(16)

式中：rc—船舶阻力系數，與船體型線、載重、航道及海情等因素有關。

隨著船舶航行工況的變化，rc也在不斷變化。為了縮短仿真時間，本文對船舶阻力系數rc進行簡化，根據經驗對rc取一般航行過程均值3 000。

當漁船進入拖網工況時，漁具及魚獲在水中的阻力特性近似于船體阻力特性[9-10]：

(17)

式中：rw—拖網阻力系數，與魚貨體積、網具形狀及海情等因素有關。

本研究中該值依據摩洛哥方實船作業測量提供的數據，仿真中使用最大魚獲量時的拖網阻力系數38 000。

船機槳網匹配數學模型如圖2所示。

圖2 船機槳網匹配數學模型Δm—船體在航行過程中因為粘附上水和海生物等產生的附加重量，一般為船體質量m的5%～15%，本研究取15%；ω—伴流系數，本研究取0.15

5 基于AMESim的船機槳網匹配數字模型

筆者根據船機槳網匹配數學模型，建立基于AMESim的數字模型[11]，如圖3所示。

圖3 基于AMESim的船機槳網匹配數字模型

系統參數初始量設置如表4所示。

表4 AMESim數字模型初始化參數

該漁船主機額定功率735 kW，額定轉速為830 r/min，當漁船在正常航行工況時，齒輪箱減速比為5：1，螺旋槳轉速為166 r/min。此時得到的漁船航速和扭矩參數動態響應特性如圖4、圖5所示。

圖4 航行工況航速響應曲線

圖5 航行工況扭矩響應曲線

仿真結果顯示:當漁船動力系統達到穩態后，漁船航速5.1 m/s，即10.2 kn，螺旋槳扭矩40.9 kN·m。航行工況時主機功率為40 900·166/9 550=711 kW，主機發出扭矩40.9/5=8.18 kN·m。

當漁船進入拖網工況時，齒輪箱切換至拖網速比5.6∶1，此時螺旋槳轉速為148 r/min，再對系統施加拖網阻力負載，漁船航速和扭矩參數動態響應特性如圖6、圖7所示。

圖6 拖網工況航速響應曲線

圖7 拖網工況扭矩響應曲線

在該仿真過程中，t=200 s時齒輪箱切換速比至5.6∶1，航速由5.1 m/s下降至4.6 m/s，航速穩定后在t=500 s時進行拖網作業，加入拖網負載，速度最終下降至1.6 m/s，即3.2 kn，螺旋槳扭矩42.0 kN·m。拖網工況時主機功率為42 000·148/9 550=651 kW，主機發出扭矩42/5.6=7.50 kN·m。

6 AMESim仿真結果分析

從以上仿真結果中可以看出，當漁船在正常航行工況時，齒輪箱速比為5:1，主機功率711 kW；當漁船在拖網工況時，將齒輪箱速比切換至5.6:1，主機功率651 kW，雙速比齒輪箱可以在保持主機轉速在830 r/min的情況下，有效地較低主機功率，提高了動力系統的經濟性和可靠性。

將AMESim數字建模仿真計算結果與摩方實船作業測得漁船性能相關數據進行比較，如表5所示。

表5 AMESim仿真結果與實船數據對比

從表5可以看出:在正常航行工況和拖網工況時，仿真結果與實船測得數據十分接近，該研究方法具有實用性。

7 結束語

本研究對螺旋槳特性曲線進行了基于Chebyshev多項式的離散化處理，并通過AMESim平臺建立了船機槳網匹配數學模型，對漁船在正常航行工況和拖網作業工況中的船速、扭矩、功率等影響漁船運行效率和經濟性的重要指標進行仿真分析，分析結果表明：雙速比推進方式能夠使主機在拖網工況時維持額定轉速的狀態下有效地降低主機扭矩和功率，這樣不僅使漁船動力系統的可靠性得到提高，還可以降低漁船主機油耗率，減少漁船運營成本。

基于AMESim的數字建模仿真結果與實船運行情況十分接近，AMESim數字仿真技術能夠為漁船設計理論提供驗證，也能與船模試驗有機地結合，豐富了漁船設計方法，對傳統設計方法進行了有效地補充。該研究方法還可以應用于拖輪、海洋工程結構物、海洋測量浮標等相關領域工程設備的動態特性分析和校核，進而完善設備的水動力性能。

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