柴油机-调距桨推进的舰船紧急制动性能仿真研究.pdf

第45卷第1 6 期2023年8 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.16Aug.,2023柴油机-调距桨推进的舰船紧急制动性能仿真研究蒲晓亮，钟涛，王艳真(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海2 0 0 0 1 1)摘要：紧急制动是舰船的重要性能指标之一，为研究采用柴油机-调距奖推进的舰船紧急制动性能，本文对影响紧急制动的主要因素进行分析，以某巡逻船为对象，建立紧急制动仿真模型，分5种工况对制动性能进行仿真。结果表明，该船停船距离可控制在3倍船长以内。分析可知，对于柴油机-调距桨推进的舰船，优化主机与螺旋桨的匹配控制策略和增加螺旋桨调距速率是优化紧急制动性能的主要途径，主机变转速策略比恒转速策略具有更好的紧急制动性能，调距桨的调距速率对紧急制动性能有较大影响，提高螺旋桨调距速率可有效减小紧急制动时间和距离。关键词：紧急制动；舰船；推进系统；调距桨；仿真中图分类号：U661.33文章编号：1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)1 6-0 0 37-0 6Research on crash-stop performance for a naval ship driven by diesel-CP propeller systemAbstract:Crash-stop is one of the most important performances of a ship.In order to study the crash-stop performanceof a diesel-CP propeller driven ship,this paper,the dynamics equation and main influencing factors during crash-stop areanalyzed.The simulation model of a patrol ship is built and five working conditions of stopping maneuver are simulated.Theresults show that the crash-stop distance of the patrol ship can be controlled within three times of the ship length,Analysisshows that changing engine-propeller matching strategy and CP propeller pitch setting speed is the main way to change thecrash-stop performance.The crash-stop performance under engine variable speed mode is better than constant speed mode,the pitch setting speed has greater influence on the crash-stop distance and time.Key words:crash-stop;naval ship;propulsion system;CP propeller;simulation0引言紧急制动即全速倒车停船，系指从发出全速倒车指令时起到船舶停在水中时的航迹行程。它是船舶操纵性的重要指标之一，可用无因次参数停船迹程与船长的比值来衡准2 。其值越小表示船舶的停船性能越好，在民用领域，该指标与船舶的避碰关系密切；在军用领域，该指标还影响舰船执行对抗、驱逐和作战等使命任务。相关规范对该指标有明确的规定，如IMO船舶操纵性标准规定全速倒车停船试验测得的航迹行程不应超过1 5倍船长，GJB4000-2000舰船通用规范对不同的船型提出了不同的衡准指标，对于驱逐舰、护卫舰，无因次停船迹程应不大于1 0。鉴于该性能指标的重要性，船东会在合同里提出比规收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 4作者简介：蒲晓亮（1 9 8 9），男，高级工程师，研究方向为船舶轮机设计。文献标识码：APU Xiao-liang,ZHONG Tao,WANG Yan-zhen(Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China)船设计非常重要。本文以某型巡逻船为对象，通过分析舰船紧急制动的数学模型，分解出影响紧急制动性能的主要因素，利用仿真软件GT-Power和Matlab/Simulink建立仿doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.16.008范要求更为严苛的指标，一些船东还将该指标作为罚款条款。为达到设计指标，船舶设计者需在船舶初步设计阶段对紧急制动性能进行预报，还应分解出影响船舶紧急制动性能的相关因素，并对其提出具体要求。当前，柴油机动力仍然是船舶主要动力型式，螺旋桨则是最主要的推进器。特别在对紧急制动性能要求较高的巡逻船、护卫舰等领域，绝大多数舰船采用柴油机-调距桨推进系统。因此掌握这种推进型式舰船紧急制动性能的预报方法和影响因素对舰38真模型，研究主要因素对紧急制动性能的影响。提出适用于柴油机-调距奖推进的舰船紧急制动仿真预报方法，作为舰船设计阶段进行操纵性预报的参考。通过分析推进系统主要设备性能对紧急制动性能的影响，可为设计者提供设备技术指标参考。1紧急停船数学模型本文研究对象是一艘千吨级巡逻船，该船排水量约1600t，船长9 0 m，设计航速2 6 kn。采用双机双桨的推进型式，每套推进系统由1 台高速柴油机经过齿轮箱减速后驱动调距桨，推进系统结构如图1 所示。紧急制动指标为停船距离不超过4倍船长，该指标远高于规范要求，因此在设计阶段准确预估紧急停船性能并采取措施进行优化十分必要调距奖轴系图1 推进系统结构示意图Fig.1 Propulsion system layout1.1动力传递模型及平衡方程船舶运动是三大部件配合的结果3，发动机输出的功率、扭矩通过推进器产生推力，推力作用于船体，实现船舶的运动，这种配合一般称为船-机-桨匹配，其动力传递模型如图2 所示。P。Po主机螺旋奖M图2 船-机-奖配合动力传递示意图Fig.2 Ship-engine-propeller system power transmission diagram船舶紧急制动是船-机-桨配合的一种形式，其动力学方程为：ZT(1-ta)=(m+md)式中：Z为螺旋桨数量；T为螺旋桨推力，N；t a 为螺旋桨推力减额系数；m为船舶重量，kg；m d 为船体附加重量，kg；V,为航速，m/s。1.2影响船舶紧急制动的因素1.2.1船舶质量及附加质量船舶质量和附加质量越大，船舶制动迹程就越大。船舶质量即排水量，排水量与船舶的主尺度和船型有关，为分析排水量与紧急制动性能的关系，引人紧急制动衡准参数无因次迹程，有STST=L舰船科学技术式中：ST为无因次迹程；ST为停船迹程；L为船长。将船舶排水量以主尺度的形式表达为：kChL3=Kk2式中：为排水量；k为系数；Cb为方形系数；Ki为船长与型宽之比；K2为型宽与吃水之比。船舶动态附加质量与船舶质量成正比，即md=。需说明的是，船舶的主尺度和排水量在初步设计阶段已经确定，即船舶质量和附加质量在船舶设计之初已确定，因此无法通过改变该参数来调整船舶紧急制动指标。1.2.2船舶阻力船舶阻力包括静水阻力、波浪中阻力增加和空气阻力4。静水阻力与船型和船舶附体有关，当船舶线柴油机齿轮箱PDPPRdVsdt第45卷(3)(4)型和附体设计确定后即为定值，因此无法通过改变静水阻力调整船舶的紧急制动性能。而船舶在波浪中航行时的阻力增加与船舶运行时的水动力环境有关，海况、水深和操舵等均对其有较大影响，这些因素与船舶实际操纵有关，无法通过设计改变，可见在规定紧急制动指标时应同时明确测试条件。沈定安等5 指出影响船舶制动性能的因素还有浅水效应、堤岸影响等，这些因素都影响船舶阻力，进而影响制动性能。1.2.3螺旋桨推力螺旋桨推力与整个推进系统有关。就本文所研究的推进系统而言，柴油机性能、齿轮箱及轴系效率、船体V(1)(2)调距桨特性均对螺旋桨推力有影响，推进系统各组成设备之间存在多种匹配关系，如柴油机转速与螺旋桨转速匹配关系、柴油机负荷与螺旋桨螺距之间的匹配关系等。可见通过改变推进系统各组成设备的性能以及匹配关系可对船舶紧急制动性能产生影响。直接影响螺旋推力改变的因素是调距桨螺距调整速率，紧急制动的过程实际是螺旋桨减小推力并产生倒车推力的过程，具体是通过改变螺旋桨转速和螺距实现的，调距桨螺距的变化速率与调距桨液压系统能力有关6 ，设计时可通过增加液压系统流量等方式提升调距速率，以减小船舶停船航迹。在船-机-桨匹配模型里，螺旋桨实际为柴油机的负载，而柴油机的性能将制约调距桨螺距和转速的调节，包括柴油机的运行区域、加减速性能和调速性能等，因此在计算船舶紧急制动性能时，应使负载变化不能超出柴油机的限制。柴油机持续工作时，其负荷不能超过MCR曲线，但在船舶加速或紧急制动过程中，可短时使其超过MCR，取1 1 0%MCR作为负荷限制线7 。在仿真计算时，需确认是否允许短时使用第45卷110%MCR，有些柴油机在加速或减速时以DBR曲线作为负荷限制线。传动和轴系系统对螺旋桨推力的影响主要是由于传动效率造成的，在紧急制动性能计算时，应尽可能准确计算传动效率。传动功率损失主要是传动部件在运行过程中摩擦、发热等造成的，如弹性联轴器、齿轮箱传动装置、轴承等，在仿真计算时需分别进行计算。2紧急停船数学模型各变量的处理2.1船舶质量和阻力船舶排水量在船舶设计之初就已确定，本文研究对象排水量约m=1 6 0 0 t。通常，附加质量为排水量的0.0 3 0.0 6 倍8 ，Le-wandowski等指出附加质量与船舶主尺度有关，通常可假设为船舶质量的0.0 5 0.1 倍9 。本文取0.0 5倍的船舶质量，即md=80t。为获得准确的船舶阻力数据，本文研究对象在瑞典国立船模试验水池进行了模型试验，得到了较完整的伴流系数、推力减额、相对旋转效率等数据，其阻力曲线如图3所示。900800700600至50 0440030020010000Fig.3Ship resistance curve2.2传动系统传动系统主要包括主机与齿轮箱连接的联轴器、齿轮箱和轴系，传动系统最主要的功能是传递功率、扭矩和推力。传动系统中各类联轴器和轴承在运行中均存在功率损耗，特别是轴系较长的船舶，传动系统的功率损耗较大，一般传动系统效率在9 0%9 5%之间，在紧急制动模型中不能忽略。通常联轴器由于发热等引起的功率损失很小，可忽略不计，在计算中应包含齿轮箱、中间轴承和尾轴承的功率损失，其值可表示为：Pf=Pfg+ZPfr+ZPfso(5)式中：Pf为传动系统功率损失；Pfg为齿轮箱功率损失；Pfr为中间轴承功率损失；Pfs为尾轴承功率损失。齿轮和轴承的功率损失一般由供货厂商提供，在无数据的情况下，齿轮箱可按效率9 8%9 9%计算，蒲晓亮，等：柴油机-调距桨推进的舰船紧急制动性能仿真研究510航速/kn图3阻力曲线39轴承按每个9 9.5%计算。齿轮和轴承的功率损失一般由供货厂商提供，在无数据的情况下，齿轮箱可按效率9 8%9 9%计算，轴承按每个9 9.5%计算。本文传动系统效率按9 5%计算，即Pf=0.05Ps。2.3螺旋奖螺旋桨通过吸收主机发出的功率产生推力，对于采用调距桨推进的船舶，在紧急制动过程中，螺旋桨旋向不会改变，而是通过改变螺距比实现推力的变化。在紧急制动计算中，需给出螺旋桨推力和扭矩的数值。其推力T和扭矩Mp可表示为：T=KTpn?D4,Mp=Kopn?DS。式中：Kr为螺旋桨推力系数；Ko为螺旋奖扭矩系数；p为水的密度，kg/m3；n 为螺旋桨的转速，r/mi