船舶电力推进系统螺旋桨负载特性仿真研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文船舶电力推进系统螺旋桨负载特性仿真研究姓名：罗彬申请学位级别：硕士专业：舰船电力推进及自动化技术指导教师：陈辉20090501武汉理工大学硕士学位论文摘要近年来，随着电力半导体技术，变频调速技术和微机控制技术的迅速发展，船舶电力推进技术获得了广泛应用。电力推进作为一种进步的推进方式，以其诸多的优越性已成为国内外现代船舶推进方式新的发展方向。螺旋桨作为推进器在电力推进系统中占有重要地位。因此研究螺旋桨负载特性对于深入认识电力推进系统是非常重要的。本课题就是在武汉理工大学“船舶电力推进仿真系统实验室”项目资助下，通过仿真实验对螺旋桨负载进行了研究和分析。本论文以螺旋桨负载为研究对象，并将船和桨作为个整体，为实验室船舶电力推进仿真系统开发了一套螺旋桨负载仿真模型，从而能提供给推进电机逼真的轴负载，准确模拟船舶在不同工况下螺旋桨的工作特性。本论文的主要工作如下：1 介绍了螺旋桨的工作机理、螺旋桨工作特性曲线和装船后与船体的相互影响关系，并详细分析了螺旋桨的三种典型特性和船舶阻力特性；2 为了逼真地模拟螺旋桨负载，本文采用有界形式的螺旋桨进速比，选取诺尔特斯特洛姆系列试验图谱，并用切比雪夫多项式拟合，而且对不同桨叶数和盘面比的螺旋桨推力系数和转矩系数进行修正；3 为了使实验室电力推进仿真系统真实模拟实船的动态负载特性，从推进系统转动部分机械运动平衡方程式着手，分析仿真系统的负载电机转矩和转动惯量与实船的螺旋桨转矩和转动惯量之间的关系，寻找一种转矩折算方法；4 用S a b e r 库中的元件和M A S T 语言对各数学模型进行描述，构建了螺旋桨负载模型，并仿真分析；5 牙0 用S a b e r 与M a t l a b S i m u l i n k 软件各自的特点，对两者协同仿真进行了初步研究，实现了协同仿真的接口问题；6 与实船操纵和运动规律对比，仿真结果表明整个船桨仿真模型有较高的精度，在一定程度上能较好地模拟实际螺旋桨负载的工作状态，其结果可为电力推进系统的性能提供理论预报和分析。关键词：船舶电力推进系统，螺旋桨负载特性，仿真，S a b e r，M a t l a b S i m u l i n k武汉理工大学硕士学位论文A b s t r a c tW i t ht h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y,t h ef r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y,t h et e c h n o l o g yo fs h i pe l e c t r i c a lp r o p u l s i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s T h ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o nh a sb e c o m et h en e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm o d e ms h i pp r o p u l s i o nt y p e sb yi t sm a n ys u p e r i o r i t y T h ep r o p e l l e rt a k e sm u c hi m p o r t a n tp l a c ei nt h ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e m T h e r e f o r e，i ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ep r o p e l l e rl o a dc h a r a c t e r i s t i c sf o rf u r t h e ru n d e r s t a n d i n ge l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e m T h es u b j e c ts u p p o r t e db yt h ef u n do f“l a b o r a t o r yo fm a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns i m u l a t i o ns y s t e m f r o mW u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yh a sm a d et h er e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ep r o p e l l e rl o a dc h a r a c t e r i s t i c st h r o u g ht h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s T h et h e s i st a k e sp r o p e l l e rl o a da st h er e s e a r c ho b j e c t A n dt h es h i pa n dp r o p e l l e ra r er e g a r d e da saw h o l e T h ep a p e rd e v e l o p sas e to fs i m u l a t i o nm o d e lo fp r o p e l l e rl o a df o rm a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns i m u l a t i o ns y s t e mi nt h el a b o r a t o r y,t h u sp r o v i d e sa c c u r a t es h a f tl o a df o rp r o p u l s i o nm o t o ra n ds i m u l a t e st h em a r i n ep r o p e l l e rw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs h i p T h ef o l l o w i n gi sm a i n w o r ki nt h et h e s i s 1 T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp r o p e l l e r,p r o p e l l e r Sc h a r a c t e r i s t i cc u r v e，a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e np r o p e l l e ra n ds h i p T h r e ek i n d so ft y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp r o p e l l e ra n ds h i pr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d 2 I no r d e rt os i m u l a t ep r o p e l l e rl o a d，t h i sp a p e rs e l e c t sa d v a n c ec o e f f i c i e n to ft h eb o u n d e dm o d ea n dt h et e s ta t l a so fN o r d s t r o ms e r i e sa n da d o p t st h ef i t t i n gm e t h o do fC h e b y s h e vp o l y n o m i a l T h et h r u s tc o e f f i c i e n ta n dt o r q u ec o e f f i c i e n tC a nb ea d j u s t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tn u m b e r so fp r o p e l l e rb l a d e sa n da r e ar a t i o 3 I no r d e rt os i m u l a t ed y n a m i cl o a dc h a r a c t e r sb yl a b o r a t o r y Se q u i p m e n t,t h ep a p e rs e t su pt h em a c h i n em o t i o nb a l a n c ee q u a t i o n sa n da n a l y s e st h er a t i oo ft h et o r q u ea n dm o m e n to fi n e r t i ab e t w e e nl a b o r a t o r y e q u i p m e n ta n dr e a ls h i p I I4 T h o s em a t h e m a t i cm o d e l sa r ed e s c r i b e db yt h ec o m p o n e n l si nS a b e rl i b r a r ya n dM a s tl a n g u a g e T h e nt h ep r o p e l l e rl o a dm o d e li ss i m u l a t e da n da n a l y z e d 5 T h ec o s i m u l a t i o nw i t hS a b e ra n dM a t l a b S k n u l i n kh a sb e e np r e l i m i n a r i l ys t u d i e d T h ei n t e r f a c ep r o b l e mi sr e a l i z e d 6 C o m p a r i n gw i t ht h el a wo fs h i pm a n e u v e r i n ga n dm o t i o n，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ew h o l es h i p-p r o p e l l e rs i m u l a t i o nm o d e lC a nw e l ls i m u l a t et h ew o r k i n gs t a t eo ft h ep r a c t i c a lp r o p e l l e rl o a dw i t hg o o dp r e c i s i o n T h er e s u l t sc a r lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o na n da n a l y s i s K e yw o r d s：M a r i n ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o nS y s t e m,P r o p e l l e rl o a dc h a r a c t e r i s t i c s,S i m u l a t i o n,S a b e r,M a t l a b S i m u l i n k1 1 1独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：翌毖日期：2 竺2：2 2 学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)：罗牦洲矧漤揖期州1武汉理工大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 选题的背景及意义当今，以热机(如柴油机、汽轮机以及燃气轮机等)为动力直接或间接驱动螺旋桨的机械推进系统仍是船舶推进的主要形式。但是，随着人类生活方式的改善和文明意识的进步，对船舶推进系统的性能提出了更高的要求。首先，在环保意识不断增强的今天，各国都逐渐制订了越来越严格的环保法律，国际海事组织(I M O)也对船舶排放，特别是对C O x、N O x 和S O x 排放物提出更为严格的要求，使得船舶柴油机燃用低质燃油受到一定的限制；其次，石油作为一种不可再生能源，随着人类近两百年的使用，已经越来越显短缺，同时原油价格不断上涨，极大的影响到船舶运营者的利益；再次，一些特种船舶，包括军舰，因其某些特殊的要求，也对船舶的推进形式提出了更高的要求。所有这些，都要求对传统船舶推进形式进行革新。因此人们在不断采用新技术改善和提高热机的性能，以满足这些要求的同时也发现采用电力推进形式能更有效地解决目前推进形式所存在的问趔1|。无论是面对更为严格的排放要求，还是提高船舶整个运营期间的经济效益，以及满足特种船舶的特殊要求，当采用电力推进的形式时，这些问题都能得到缓解或解决。自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子技术的迅速发展，大功率交流电机的变频调速技术日臻成熟，基于晶闸管整流逆变方案和I G B T 器件方案的船舶电力推进技术迅速发展。高效电能变换的电力电子技术，先进的电机制造技术和控制技术，使得电力推进可以摈弃齿轮箱并达到与螺旋桨的灵活匹配，因此尽管能量经过两次变换，仍有可能使得电力推进的效率高于传统的机械推进。在其他方面的优异性能，如机动性、可靠性、布置的灵活性等方面都有了突破性的进展，从而使船舶电力推进技术的应用领域不断扩大，除应用于破冰船、挖泥船、渡轮等工程船以外，还广泛应用于油轮、游轮、集装箱船、散货船等中大型常规船舶，显示出了广阔的市场前景。据统计，近年来新建的油轮、渡轮、游轮、集装箱船有3 0 采用电力推进系统。业内专家认为，到2 0 1 0 年，仅仅用于船舶电力推进的电动机和发电机的全球市场份额就将达到每年2 0 亿 4 0武汉理工大学硕士学位论文亿美元。可以预计，电力推进将是一种被广泛采用的先进的船舶推进系统。船舶电力推进是利用推进电动机驱动螺旋桨转动，从而推动船舶前进的一种船舶推进方式。它通常是由原动机带动发电机发电，然后直接或经变流器给推进电机供电，由推进电机带动推进器旋转，从而使船舶运动。原动机有柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机和原子能动力装置等【2 J。现代船舶电力推进方式与传统的机械推进方式相比，主要有以下突出的优占【3 吲J 、经济性好：电力推进配置有多台中速机用于发电，可根据用电负荷选择投入运行的发电机组台数，使运行机组始终运行于高效工作区，保持燃油消耗率最低，实现最佳经济性，提高续航力，降低运行成本。根据西门子公司统计，对于同等功率的船舶，电力推进的耗油比内燃机推进的要减少1 0 左右，按航速折算可提高0 5 节。操纵性好：推进电机的转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩，因此能得到最佳的工作特性。电力推进的调速和倒车等主要由电气控制实现，因而具有良好的机动性和优良的操作性。安全性好：电力推进使用多台原动机，个别机组的故障只对船速有一定的影响，不会导致失去动力。目前的电力推进系统多采用两套以上的推进系统，可互为备用。在C Y C L O 推进系统中，同步电动机的定子有两组相互独立的绕组，如果运行过程中某一组出现故障，电动机仍可减载运行。节省空间：传统船舶的轴系长度往往占到船长的4 0 左右，采用电力推进的船舶省去了传动轴系、减速齿轮箱，以电缆代之。电力推进布置灵活，改善了机舱布置，使动力装置各种设备的安排更加合理，节省了大量空间。噪音低：发电机是船舶上的主要振动源，采用电力推进后，发动机安装在弹性底座上带动发电机，以恒定转速运行，它既与轴系上的电力推进系统没有任何联系，也与船体无直接连接，这就大大减少了振动和噪声。对于军用舰船来讲，推进电机的电磁转矩脉动极小，几乎不存在冲击，可大大降低舰船动力装置和螺旋桨的噪声，进而提高舰船的隐蔽性。适合环保：采用电力推进更有利于船舶控制环境污染。对同一功率船舶而言，采用电力推进，由于原动机可以采用几台中速柴油机或采用燃气轮机联合装置，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油的喷射及燃烧质量好，有利于实现节能减排。2武汉理工大学硕士学位论文电能储备大：电站由多台发电机组成，一方面满足设备的冗余要求，另一方面，电能储备大。对军用舰船来说，当降低推进功率到零时，所有的电能储备都可应用于支持高能武器的发射。有利于实现综合全电力推进系统(I n t e g r a t e dF u l lE l e c t r i cP r o p u l s i o nP o w e rS y s t e m，简称I F E P S 或I P S)：综合电力系统的概念于1 9 9 4 年在美国海军工程师活动日(A S N FD a y)上第一次被提出。I P S 系统包括发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理，全船动力用电、生活用电、其他辅助设备用电均由统一的中央电站提供，各组件易于实现系列化和模块化。I P S 系统并不是电力推进与自动化电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置技术等都发生了重大变化，是从统筹全船能源的高度真正实现电力和推进两大系统的全面融合。鉴于船舶电力推进系统具有以上突出优点，船舶电力推进装置的研究已经成为国内外造船界和科研单位的研究热点，世界各大船用设备生产厂家都对其十分关注，纷纷推出了各自电力推进船舶的主推进系统和相应的控制系统。A B B，S I E M E N S 等跨国公司都己开发出成套的电力推进系列产品。船舶电力推进系统的工作对象是推进器一螺旋桨，通过对螺旋桨的驱动，实现船舶的运动和机动。因而电力推进系统的工作特性就必须与推动船体运动的螺旋桨的工作特性相适应、相匹配。所以研究电力推进装置主要部件(包括推进电机、螺旋桨等)的基本特性有其重要意义。为了更好地研究电力推进装置的性能，使电力推进系统在接近真实载荷的情况下能进行控制或结构研究，避免系统装置在实际运行时发生重大失误，研究一种能较真实地模拟螺旋桨动态特性的负载装置是十分必要的。螺旋桨在旋转过程中表现出来的特性，不仅与驱动螺旋桨转动的推进电机的功率和转速有关，还与船舶的运行状态及其它诸多的自然条件(如海浪、风力、海洋的流速等)有关。目前，负载模拟装置尽管在国内外发展很快，但对螺旋桨特性的模拟还是采用把螺旋桨放入一个闭式循环的水道中来进行的。这种方法虽然在造船行业被广泛采用，但是整个装置结构复杂，设备庞大，投资较高。于是，很多研究单位用电机模拟螺旋桨，例如哈尔滨工程大学、上海海事大学分别选用直流发电机，低频多极三相交流异步电动机来真实地模拟不同工况下螺旋桨的的负载特性。螺旋桨负载仿真装置研究成功后，可替代部分海上实验，有利于对船舶电力推进进行更深入的研究，缩短科研的周期。3武汉理工大学硕士学位论文目前船舶正车前进的操纵性研究已经取得丰硕的成果，而其它工况却缺少深入、系统的研究。其中的一个原因是船舶主要在正车前进状态下运行，但随着航运事业的发展，使得深入研究船舶机动、制动和倒航的操纵性的课题已经提到日程上来。而且，全面地分析螺旋桨的静、动态特性，并对其运行做预测性的研究，能解决船舶海上避碰、船舶系泊、船尾靠离码头、海上救助、海上补给、登陆等诸多实践中出现的问题，帮助船员们更自觉地掌握倒航和制动的规律 9 1。总之，为推进电机提供逼真的轴负载，复现螺旋桨负载特性，将具有重要意义。1 2 国内外电力推进应用及螺旋桨负载研究情况1 2 1 国内外船舶电力推进发展现状历史上最早将电力推进应用于船舶的是1 8 8 6 年英国建造的“V o l t a”号，它是以蓄电池为动力驱动电机的电力推进船舶。随后出现了将蒸汽机与直流电机相结合，用直流电机直接与螺旋桨轴相连的涡轮电动式电力推进船【1 0 1。1 9 1 3 年美国海军煤炭运输船用交流电机来代替推进用的直流电机，是交流式涡轮电力推进船，使用的电机是感应电机。由于由蒸汽机组成的推进系统必须装备与之配套的减速装置，而当时的齿轮生产技术水平还比较低，无法适应用蒸汽机带动螺旋桨时所必须满足的变速要求，所以当时很多船舶都采用电力推进系统。然而，由于2 0 世纪3 0 年代齿轮生产技术的飞速发展，实现了大马力蒸汽机推进系统的实用化，电力推进系统便逐渐地淡出了在船舶上的应用。但是，2 0 世纪8 0 年代以后，电力推进又得到蓬勃的发展，除了科技进步，技术发展外，其自身的优点也是其再次得到青睐的一个主要原因。在军事应用方面，美国海军在1 9 9 2 年提出了先进水面舰艇机械项目计划(A d v a n c eS u r f a c eM a r i n eP l a n，简称A S M P)，旨在研制出一种先进的舰艇推进、电力及机械控制系统，在满足规定性能的同时，显著的降低了军用舰船的投资。随着A S M P 计划研究的迸一步深入，终于在1 9 9 4 年提出了综合电力推进系统(I n t e g r a t e dP o w e rS y s t e m，简称I P S)概念，即用“电力集成”的思想和“模块化”的方法来研究舰船电能的产生、输送、变换、分配及利用，将舰船推进装置用电、日常用电和各种武备发射用电共用一套发电及配电系统而构成一个综合电4武汉理工大学硕士学位论文力系统。2 0 0 0 年美国海军确定其新一代D D 2 1 战舰使用电力推进作为其主推进选择方案。美国海军利用政府的各种实验室和私营公司进行全综合电力推进系统的研究、开发和论证工作，并通过一个2 5 亿美元的研发预算，以加速综合电力推进技术的开发步伐和应用。欧洲国家海军也有类似做法，英国海军在其4 5 型驱逐舰上采用了综合全电力推进系统，虽然综合电力推进系统提高了建造费用，但是系统却降低了运行和支持费用以及全生命周期费用，其投资费用预计在2 -7 年左右能收回。因此英国拟在其海军中大量使用电力推进系统。2 0 0 1 年荷兰皇家海军(R N L N)倡议了全电力舰(A E S)的概念，荷兰全国应用自然科学研究总会(T N O)的P r i n sM a u r i t sL a b o r a t o r y 参加了全电力舰概念的研究计划。德国、法国等其它欧洲国家海军都有自己相应的电力推进发展计划。而目前我国海军主力舰只采用电力推进方式的并不多见。在民用船舶领域，电力推进技术的发展已经相当成熟，应用范围十分广泛。A B B，S I E M E N S，A L S T O M，S T N A t l a s 等各大公司纷纷推出了电力推进的主推进系统和相应的控制系统。在系统硬件结构方面，先进的船舶电力推进系统几乎都采用吊舱式的结构形式【l。其中尤以A B B 开发的吊舱式电力推进器A z i p o d最为成功，并得到广泛应用。1 9 9 0 年，A B B 芬兰分公司研发的1 5 M W 的A z i p o d 吊舱推进器运用于“S E I L I”号航道工程船，开创了吊舱式电力推进的先河【l 引。此后，瑞典K a m e w a公司和法国A l s t o m 公司合作开发了M e r m a i d 吊舱推进器【1 3 1，德国S c h o t t e l 和S i e m e n s 公司研制成功S i e m e n s S c h o t t e lP r o p u l s o r(S S P)吊舱推进器【l 引，荷兰W a r t s i l a(L I P S)公司和德国S A M 电子公司发展了D o l p h i n 吊舱推进器。这四种吊舱推进器目前都有实船运营经验，形成了各种功率的产品。吊舱式推进系统最成功的例子是C A R N I V A L 游轮公司的豪华邮轮“P a r a d i s e”号，该船为7 4 0 0 0 G T。经海上航行证明，其速度、燃油消耗率和操纵性能都有所提高，推进效率比以前同类型邮轮增加了8，一周可以节省4 0 吨燃油，全速回转半径减小了3 0，急停距离缩短【1 5】。目前，吊舱式电力推进已成为新建豪华邮轮的标准配置 1 6】。国内建造电力推进船舶始于2 0 0 0 年。上海爱德华造船有限公司2 0 0 0 年为瑞典的D o n s o t a n k 公司建造了一艘1 9 5 0 0 吨的化学品船，名字为“帕劳斯佩拉”，采用额定功率为5 1 M W 的西门子公司3 6 0 度旋转的吊舱式S S P 推进器，这是在我国建造的首艘吊舱式电力推进船舶。2 0 0 2 年1 2 月1 7 号，广船国际为中远广5武汉理工大学硕士学位论文州公司建造的半潜船“泰安口”号正式交付使用。该船载重为一万八千吨，入级挪威D N V 船级社，采用6 6 0 0 V 中压电力系统和两套S S P 5 吊舱式电力推进系统代替传统的大型主柴油机、巨型舵叶，每套4 7 0 0 K W，可3 6 0 0 旋转，使船舶能够在极小的回旋半径内灵活操纵。这是中国自己建造并投入营运的第一艘大型海洋工程特种船舶。目前，它的姊妹船“康盛口”号也已经投入运行。2 0 0 4 年3 月1 7 号，浙江船厂获得了法国船东G r o u p eB o u r b o n 建造4 艘采用A B B 公司电力推进系统平台供应船的订单。2 0 0 5 年，由上海船舶研究设计院设计，江南重工建造的科学考察船在南海投入运行，采用A B B 的C o m p a c t A z i p o d推进系统，这是中国自主设计的第一条采用A B B 的A z i p o d 电力推进装置的船舶。C o m p a c tA z i p o d 电力推进系统在2 0 0 4 年5 月1 9 日还获得了铁道部二艘1 5 0 0 0 G T 烟大火车轮渡船的订单，该船也由上海船舶研究设计院设计，由天津新港船厂建造，在2 0 0 6 年建成并投入使用。此外，国内的3 0 0 0 T 级海事船、部分化学品船、自航式全回转起重船，以及一些中小型船舶如消磁船、曝气复氧船、极地考察船、敷管船、深度打捞船、水声试验船、布缆船等也采用了电力推进方式。总的来说，我国的电力推迸技术还处于起步阶段，电力推进技术的应用并不广泛，使用的新产品和船型也不多，推进系统的全套设备一般都要由国外引进组装，技术核心完全掌握在外国人的手中。1 2 2 国内外螺旋桨负载研究现状目前，随着船舶电力推进技术的发展，国内外一些高校、科研院所和企业也开始进行电力推进系统研究，有的还组建了船舶电力推进仿真装置。在国内，除了武汉理工大学外，哈尔滨工程大学、上海海事大学也建有电力推进实验室，开展全电力推进船舶科学研究，而且哈尔滨工程大学已将其研究成果应用在某型深潜救生艇上；其他如海军工程大学等高校也开展有类似的研究项目；另外7 0 4、7 1 1、7 1 2 等专业研究所也有电力推进科研项目。哈尔滨工程大学研究并建立了舰船电力推进仿真系统，它由转矩给定、转矩转速传感器、变流装置、负载电机和推进电机组成，采用的是微型计算机控制技术【1 7】。其中负载电机选用直流发电机，由可控晶闸管装置供电。仿真系统中，发电机构成转矩伺服系统，并作为系统主体；为保证仿真系统和实际系统的总的转动惯量相等在推进电机和负载电机间加一个惯性轮；通过控制发电机6武汉理工大学硕士学位论文的电枢电流，使其电磁转矩在某一运行状态下与电机转速之间满足某种函数关系，可以实现对发电机电磁转矩的控制，进而控制发电机轴上的转矩，以保证在动态仿真过程中复现螺旋桨负载特性。实验仿真系统的转矩给定值是通过求解船桨模型给出的，而船桨模型是用软件模块来实现的，即由工业控制计算机内的螺旋桨动态模型数据库来提供。该模块的输入量是螺旋桨转速和船速，输出量是推进电机的轴转矩。在运动初始状态给定的条件下，船速可根据船桨模型获得。因此该模块的输入实际上只有螺旋桨的转速，即测量得到的转速。上海海事大学半实物吊舱式电力推进仿真系统由推进变频器、推进电机、负载变频器、负载电机以及控制单元组成【l 引。推进交频器、推进电机和推进控制单元组成推进子系统，用于仿真推进电机的特性；负载变频器、负载电机和负载控制单元构成转矩伺服系统仿真船舶螺旋桨特性。负载电机是一台变频调速异步电动机，正常工作区域的机械特性是一簇相互平行且近似于直线的曲线。在仿真系统运行过程中，负载电机的转速由推进电机决定，船桨数学模型根据推进电机的转速和船速推算出螺旋桨转矩，转矩调节器按给定转矩调节负载变频器的输出频率，改变负载电机的同步转速，选择合适的机械特性曲线，实现对负载电机的转矩控制，再现螺旋桨的特性。另外，为了满足电力推进静态和动态负载特性仿真的要求，变频器采用矢量控制方式，且实验仿真系统与实船电力推进系统两者的推进电机转矩与推进系统转动惯量间应符合一定比例关系。在国外，挪威科技大学、A B B、S I E M E N S、A L S T O N、S T NA t l a s 等单位也开展了船舶电力推进仿真系统的项目研究。挪威科技大学一直在研究船舶电力推进仿真系统【1 9 1，尤其在螺旋桨从正常到极端工况的负载特性方面有重大突破【2 0】。为了逼真地复现螺旋桨四象限特性，他们采用瓦格宁根试验图谱(W a g e n i n g e nB S c r e wS e r i e s)，该图谱于1 9 6 0 年首先由M i n i o v i c h 清晰描述，1 9 6 9 年由V a nL a m m e r e n 等人用傅立叶分析拟合。建立了螺旋桨负载转矩监测和转矩损耗估算系统，通过螺旋桨监测器和损耗估算能实时监测螺旋桨负载特性；负载转矩调节器能检测空气流通现象；抗逆转螺旋桨控制器能在极端工况下利用转矩和功率控制螺旋桨，并能控制和降低轴速直到该现象结束；引入的螺旋桨性能测试方法能在极端工况下改进推力分布。他们建立了适合控制系统设计和试验的仿真模型，将螺旋桨分别放入有气穴的涵洞和船池中进行系统模型试验。研究了船舶低速前进时螺旋桨的通风和出入水7武汉理工大学硕士学位论文效应，在有气穴的涵洞中试验得出准静态特性，通过敞水试验得到动态特性。1 3 论文主要研究内容本课题主要是应用混合系统仿真软件S a b e r 构建满足螺旋桨四象限仿真要求的船桨运动模型，仿真并分析船舶在不同工况下螺旋桨的转矩特性以及的静、动态特性；利用S a b e r 与M a t l a b S i m u l i n k 软件各自的特点，对两者协同仿真进行了研究。主要内容如下：1)建立船舶阻力数学模型和船桨运动数学模型；2)拟合满足四象限仿真要求的螺旋桨工作特性曲线，并修正不同桨叶数和盘面比的螺旋桨推力系数和转矩系数(适用于2 巧叶定距桨船舶)；3)实验仿真系统的推进电机转矩、负载电机转矩及推进系统转动惯量同实船的推进电机转矩、螺旋桨转矩及推进系统转动惯量按照一定比例关系折算，以满足电力推进静态和动态负载特性仿真的要求；4)用软件S a b e r 构建船桨仿真模型并分析仿真结果；5)对S a b e r 与M a t l a b S i m u l i n k 进行协同仿真，实现了协同仿真的接口问题；6)对整篇论文进行总结，并且对今后的研究工作进行展望。8武汉理工大学硕士学位论文第2 章船用螺旋桨特性船用螺旋桨是船舶运动的动力，研究船舶运动必须对螺旋桨特性有深入的了解。本章着重分析了船用螺旋桨的工作机理，给出了螺旋桨工作特性曲线，在此基础上，详细地介绍了螺旋桨在几种典型工况下的工作特性和船舶阻力特性。本章为以后的螺旋桨负载实验仿真提供了理论基础。2 1 螺旋桨的重要参数船用螺旋桨由若干桨叶(2 叶至6 叶)组成，靠桨叶产生推力来推进船舶运动。下面介绍的是定距桨的主要参数。(1)桨径：叶尖所划圆的直径，用D 表示。(2)叶面积(伸张面积)：螺旋桨的全部叶面真实面积(非投影后的面积)之和，也即是各桨叶伸张轮廓所包含面积之总和，用么表示。(3)盘面积：螺旋桨旋转时叶梢(桨叶的外端)所划过的面积，用也表示，4=三D 2 0(4)盘面比：螺旋桨叶面积与圆盘面积之比，用么从d 表示。(5)螺距比：桨叶螺旋面螺距与螺旋桨直径之比，用H D 表示。如果螺旋桨叶面各不同半径处的面螺距相等，该螺旋桨就为定螺距螺旋桨；如果螺旋桨叶面各不同半径处的面螺距都不相等，该螺旋桨就为变螺距螺旋桨。对于变螺距螺旋桨，一般取半径为O 7 0 R 或0 7 5 R 僻为螺旋桨的叶梢半径)处的面螺距代表螺旋桨的螺距。(6)进程：螺旋桨在水中旋转一周在轴线方向上实际前进的距离，用表示。(7)前进速度：螺旋桨在水中实际前进的速度，用吻表示，吻=n。(8)进速比(相对进程)：螺旋桨旋转一周的轴向进程与桨径的比值，用，表示，d=冬=妥，它是描述船舶运动状态的一个重要参数【2 1】。9武汉理工大学硕士学位论文2 2 敞水螺旋桨的推力和转矩当螺旋桨转动时，桨叶向后拨水而产生推力，其本身除旋转外，还要跟着船一起轴向移动。根据螺旋桨在敞水中运转时产生的流体动力特性可知，推力和转矩与桨直径D、转速玑进速v p、水的运动粘性系数，及重力加速度g 有关。一般可用下列函数表示推力P、转矩M 与各因素的关系【2 2 lP=Z(D，2，1，。，P，y，g)(2 1)M=厶(D，胛，V。，P，7，g)(2 2)应用量纲分析方法，螺旋桨的推力和转矩用无因次量表示为尸=K。,o n 2 D 4(2 3)M=K M p n 2 D 5(2 4)式中：挖为螺旋桨转速，单位为r s：D 为螺旋桨直径，单位为m：p 为海水密度，单位为K g m 3，通常取1 0 2 5 K g m 3：觞、K M 分别为螺旋桨的推力系数和转矩系数，都是进速比的函数。2 3 螺旋桨工作特性曲线螺旋桨的推力系数局和转矩系数K M 在螺旋桨转速n _ O 时被定义为：K p=州p n 2 D 4(2-5)匕=M p n 2 D 5(2-6)在螺距比H D 给定的情况下，岛与K M 均是进速比，的函数，可表示为下面的函数关系：蜂删、K u=K M(J)。通常将以上表达形式称为非有界形式。螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。由敞水试验得到的无因次推力系数局和无因次转矩系数K M-与f l f N _ L L，的关系被称为螺旋桨工作特性曲线【2 5 1，如图2 1 所示。因K M 数值太小，通常图上给出1 0 K M 的曲线，恐和K u 都随J 的增大而减小