船舶動力推進系統加速性能優化策略

劉世偉

(武漢交通職業學院 船舶與航運學院，湖北 武漢 430000)

0 引 言

作為船舶重要的動力裝置，船舶動力推進系統不僅直接影響船舶的速度、操縱性、燃油效率等性能指標，而且也對船舶的安全性、環保性等具有重要影響。船舶動力推進系統需要滿足推進效率、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濟效益需求，研究船舶動力推進系統，優化船舶動力推進系統的加速性能，提升船舶在不同工況下的航行可靠性[4]。

目前，已有相關學者針對船舶動力推進系統的優化問題展開研究。郝立穎等[5]建立了船舶推進器的故障模型，充分考慮船舶推進器失效、卡死和中斷的故障情況，將自適應滑模控制器應用于船舶動力推進系統中，保證船舶行駛受到外界擾動以及發生故障時，具有較高的信號一致性，從而實現船舶動力推進系統的控制。高澤宇等[6]將自適應閾值方法應用于船舶動力系統中，結合回歸支持向量機方法與模擬退火算法構建動力系統的常規狀態模型，結合滑動時間窗口和自適應閾值優化動力推進系統的加速性能。以上方法雖然有效提升船舶動力推進系統的運行性能，但是未充分考慮海洋工作環境不可預測性以及復雜性，影響復雜環境下船舶的運行性能。

為提升船舶動力推進系統的加速靈活性，提出一種加速性能優化策略。通過該方法提升船舶的航行動力，以適應復雜多變工況下的行駛環境。

1 動力推進系統加速性能優化

1.1 船舶動力推進系統組成分析

通過船舶動力推進系統，將船舶動力主機與動力副機形成的功，再通過推進器轉換為航行推力[7]。本文以裝備了8臺推進器的船舶動力推進系統為例展開研究。

1）可調螺距螺旋槳又稱為調距槳，利用調距槳調節船舶槳葉和槳轂，在船舶推進電機轉速固定情況下，通過調節調距槳螺距的大小，使得船舶推力與航行速度發生變化，滿足船舶前進與后退的航行工況。船舶動力推進系統的調距槳設置于船尾，調距槳作為船舶動力推進系統的主推進器，為船舶移動提供動力。調距槳可以滿足不同航行工況下的混合動力船舶航行需求，充分吸收船舶動力推進系統的功率，具有較高的動力利用率，可以延長船舶動力推進系統的使用壽命[8]。調距槳無需調節船舶主機轉速，僅通過調節螺旋槳參數，即可實現船舶在不同工況下的航行功能調節，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推進器產生。可調距螺旋槳側推和噴水推進側推是為船舶提供側推力的主要方式。調距槳側推通過調節槳葉螺距，調節船舶推力大小。側推進器具有操作簡單的優勢，對于具有較高靈活性與操縱性需求的船舶，在復雜工況下仍然可以利用側推進器提升船舶的航行與作業能力。

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

1.2 船舶動力推進系統數字模型

船舶動力推進系統不受外界干擾力和外界干擾力矩的影響，其中的全回轉推進器，為船舶從不同方向形成最大的推力。利用側推進器為船舶提供橫向推力，提升船舶的操作性能。

全回轉推進器與普通的螺旋槳相同，水阻力矩和推力是全回轉推進器的主要性能參數。利用功率構建全回轉推進器的數學模型，全回轉推進器的功率計算公式如下：

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

側推進器通常安裝在船首或船尾的橫向導管內。船舶螺旋槳轉動時，帶動流體從導管流入或流出，流體流入與流出的壓力差，形成與導管平行的推力，船舶導管的流量與形成的側推力相關，導管流量越大時，船舶受到的側推力越大。

通過分析側推進器的來流與噴流，計算船舶的側推力和力矩的表達式如下：

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與M分別為側推進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建船舶動力推進系統的推進器模型。在船舶航行的過程中，推進器在產生推力的同時，形成令船舶轉動的扭矩。推進器的安裝位置，與扭矩的計算和推力大小存在直接關聯。船舶扭矩總和計算公式為：

式中：xi，yi分別為船舶動力推進系統各推進器的位置坐標；Xi，Yi分別為橫向推力與縱向推力。利用以上過程構建船舶動力推進系統的數字模型，為船舶動力推進系統加速性能優化提供基礎。

1.3 加速性能優化策略

1.3.1 船舶動力推進系統加速策略

依據上述所構建的船舶動力推進系統的數學模型，為船舶動力推進系統制定加速策略。利用調速器設置固定的主機轉速，在動力設備的單位步長內，提升動力設備的速率。設置船舶動力推進系統加速過程如下：

閉合船舶動力主機離合器，為動力主機設置固定的接排轉速。動力推進系統穩定后，調節轉速以恒定的增加率提升主機轉速，利用傳動系統將主機形成的轉速和扭矩傳送至定距槳，推進船舶加速。

采用氣體機轉速控制方法，對船舶動力推進系統設置恒定升速率。將功率/扭矩控制方法應用于船舶軸帶電機中。船舶動力推進系統采用恒升速率加速時，船舶船槳模型的軸功率輸出實時結果，船舶動力推進系統設置不同的轉速增加率。為了保障船舶動力推進系統加速過程中保持較高的穩定性。設定船舶動力推進系統加速限制的表達式如下：

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

1.3.2 船舶動力推進系統加速性能優化策略

利用變頻器超前控制方法，優化船舶動力推進系統加速響應的實時性。將船舶動力推進系統的變頻率，與軸系轉速的高采信號作為船舶動力推進系統加速性能優化的輸入，計算船舶動力電機的輸出功率。采用軸帶電機扭矩控制方法控制船舶電機扭矩，船舶動力推進系統利用變頻器采集船舶車鐘手柄的最終位置，手柄的位置信號與船舶動力推進系統加速的目標轉速對應，結合穩態負荷分配結果，確定船舶加速目標對應的船舶電機參數。為了保證加速穩定性，設定船舶電機每個循環轉速下，扭矩增加限制為50 N·m。通過以上過程，完成船舶動力推進系統加速性能優化。

2 結構與分析

為了驗證船舶動力推進系統加速性能優化策略的有效性，進行仿真實驗。

實驗選取某艙容為8 000 m3的貨船作為研究對象。所選取船舶的設計航速為14.5 kn，選取2臺1 800 kW的氣體推進主機作為船舶動力推進系統的動力主機。利用Matlab軟件，模擬不同工況下船舶航行狀況，驗證所研究方法有效性。

船舶與船舶螺旋槳的參數設置如表1所示。

表1 船舶與螺旋槳參數設置Tab.1 Ship and propeller parameter Settings

設置船舶以低速工況、服務航速工況等不同工況航行，在船舶航行30 s時，對船舶發出加速指令。采用本文方法優化船舶動力推進系統的加速性能，船舶加速的仿真結果如圖1所示。

圖1 船舶加速仿真結果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，對船舶加速性能進行優化，船舶的發動機轉速和主機功率較為平穩，動力推進系統的加速性能優越。加速過程中發動機轉速的跟隨性較高，可以快速達到加速目標，具有較高的加速穩定性。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際應用性。

統計采用本文方法對船舶的加速性能，船舶速度變化結果如圖2所示。

圖2 船舶加速結果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行加速性能優化，船舶的加速性能良好，可以保持穩定的速度變化。船舶動力推進系統接收加速信號后，快速調節船舶速度，保障船舶在較短的時間內滿足加速目標需求。上述結果表明，本文方法具有較高的船舶動力推進系統加速優化性能，可以為船舶的穩定航行提供良好的基礎。

采用本文方法優化船舶動力推進系統的加速性能，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，驗證本文方法可以提升船舶運營的經濟性。實驗結果表明，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，實現船舶速度控制的穩定性。

3 結 語

針對船舶動力推進系統的加速性能，本文進行優化設計，提升不同工況下船舶航行的加速性能。通過實驗驗證，通過對船舶動力推進系統加速性能優化，船舶加速穩定性高，船舶航行的燃油消耗率下降幅度明顯，可以實現船舶加速性能的優化。該方法具有較高的優化船舶航行加速性能的優勢，適用于不同工況下，船舶航行的實際應用中。

本文的研究旨在探究如何優化船舶動力推進系統的加速性能，通過改善船舶動力加速的效率，進一步提高船舶的性能和經濟效益，同時減少船舶運行中相互之間的碰撞風險，降低海洋污染，實現可持續發展。