基于調距槳推進系統的穩態特性仿真

劉 琦，劉云生，敖晨陽，宋漢江，霍柏琦

(中國人民解放軍92942部隊，北京 100161)

0 概 述

可調螺距螺旋槳（簡稱調距槳）是螺旋槳推進型式中的一種，在主機轉速和轉向一定時，通過改變調距槳的螺距角或轉速，能使船舶由停車到最大航速內實現無級變速，獲得任何一種航速，具有操縱性強、經濟性好等優點[1]。當船舶推進裝置采用調距槳作為動力輸出時，在高速航行的情況下對外界負荷的變化非常敏感，其性能對推進系統整體效率有很大的影響。船舶實際航行時是否可以達到設計工況下的各種動力性和經濟性指標，以及在航行和作業工況偏離設計工況以后，如何選擇合理的主機轉速、螺距比等參數以實現船、機、槳的最佳匹配，都直接關系到船舶的整體性能。而推進系統又是一個復雜的非線性系統，無法用常規的方法進行分析。因此，開展基于調距槳推進系統的穩態特性仿真研究十分必要[2]。

本文采用系統模塊化的建模思路，利用機理建模、經驗公式擬合等手段建立了包括柴油機、齒輪箱、軸系、調距槳等子系統在內的數學模型，在Sim-ulink軟件平臺上進行仿真建模并完成了各工況下的穩態特性研究，分析船、機、槳匹配參數對船舶動力性和經濟性指標的影響，可為后期實船試驗的相關工作提供技術支撐。

1 推進系統數學模型

1.1 柴油機

將柴油機動力裝置簡化成由2個旋轉質量(柴油機和負載)和一個無慣性的聯接軸所組成的當量系統，則柴油機的動力學方程為[3]：

柴油機指示扭矩計算公式為：

柴油機機械效率計算公式為：

1.2 齒輪箱

從運動傳遞角度來看，減速齒輪箱模型可用轉速的減速比i來表示，即柴油機軸與螺旋槳之間轉速、扭矩和轉動慣量存在以下關系[4]：

1.3 軸系

設同一機組的各部件性能參數基本一致，則槳軸動力學方程為：

軸系當量轉動慣量計算公式為：

1.4 調距槳

上述是螺旋槳在敞水中的水動力特性，實際上，螺旋槳在工作中會受到船體尾部流場的影響，同時反作用于船體尾部流場，這樣就進一步產生了推力減額和伴流現象。螺旋槳有效推力和進速為：

螺距系數采用Donnelly公式計算[6]：

2 仿真模型及參數設置

圖 1 推進系統仿真模型Fig. 1 The simulation model of Propulsion system

以中速柴油機驅動的四機雙軸雙槳推進系統為研究對象，由4臺主機、2套并車減速齒輪箱、2套軸系及調距槳組成。結合該推進系統設計典型工況設置的穩態控制參數，選取四機雙槳、雙機雙槳、雙機單槳（另一槳鎖軸）3種工況，對其穩態特性進行仿真計算。穩態控制參數的主機轉速和螺距比如表1所示。

表 1 穩態控制參數Tab. 1 Steady-state control parameters

依據上述章節中各模塊的數學模型，基于Simulink仿真環境建立推進系統仿真模型，如圖1所示。

3 結果分析

3.1 四機雙槳運行工況

推進系統在4臺柴油機驅動雙軸雙槳運行工況下可獲得最大的主機功率和最大航速，其仿真結果如表2和表3所示。

3.2 雙機雙槳運行工況

推進系統在雙機雙槳運行工況下的仿真結果如表4和表5所示。

表 2 四機雙槳航速仿真結果Tab. 2 The simulation speed result of four-engines double-propellers

表 3 四機雙槳主機功率仿真結果Tab. 3 The simulation power result of four-engines double-propellers

表 4 雙機雙槳航速仿真結果Tab. 4 The simulation speed result of double-engines double-propellers

3.3 雙機單槳運行工況

推進系統在雙機單槳運行工況下，另一槳處于鎖軸狀態，其仿真結果如表6和表7所示。

表 5 雙機雙槳主機功率仿真結果Tab. 5 The simulation power result of double-engines double-propellers

表 6 雙機單槳航速仿真結果表Tab. 6 The simulation speed result of double-engines single-propeller

表 7 雙機單槳主機功率仿真結果Tab. 7 The simulation power result of double-engines single-propeller

4 模型驗證

為了驗證仿真模型的準確性，選取四機雙槳工況下螺距比為1.02時的航速仿真結果與船模試驗中的航速試驗結果進行對比分析，如圖2所示。

圖 2 四機雙槳工況下仿真與試驗結果對比Fig. 2 Comparison of simulation and test results under the condition of four-engines double-propellers

通過仿真與試驗結果對比可以看出，當柴油機轉速為480 r/min時，仿真結果略高于試驗結果，且差別較小。在其他幾種轉速工況下，仿真值與試驗值基本吻合，說明所建立的計算模型及初始邊界條件設置較為合理，可以模擬實際情況。

5 結 語

1）綜合利用機理建模、經驗公式擬合等手段，針對調距槳推進系統的特點建立船-機-槳數學模型，并基于Simulink仿真環境構建了系統仿真模型，主要包括車令、調速器、柴油機、齒輪箱、調距槳等模塊。

2）利用船模試驗結果對仿真模型的準確性進行驗證，并基于典型設計的四機雙槳、雙機雙槳、雙機單槳3種工況下的系統控制參數對穩態特性進行了計算，得到各個方案下的全船航速和主機功率，分析了船、機、槳匹配參數對船舶動力性和經濟性指標的影響。

3）當螺距比一定時，隨著推進主機轉速的增大，全船航速隨之呈現增大趨勢；當推進主機轉速一定時，隨著螺距比減小，全船航速變得越來越小；合理選取主機轉速和螺旋槳螺距比時，可以實現全船的最大航速。