調(diào)距槳推進(jìn)裝置機(jī)槳優(yōu)化匹配研究

1、調(diào)距槳作為船舶主推進(jìn)動(dòng)力裝置的重要組成部分，在實(shí)船中得到了廣泛的應(yīng)用。STCW7895公約1978年海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約(1995年修正)已將調(diào)距槳船舶動(dòng)力裝置列為高級(jí)輪機(jī)員的必需培訓(xùn)項(xiàng)目。然而，國(guó)內(nèi)船員對(duì)于調(diào)距槳的操縱與管理還不熟悉。從整體上看，國(guó)內(nèi)調(diào)距槳的研究，無(wú)論是控制技術(shù)還是硬件方面都與先進(jìn)國(guó)家有較大的差距。文章就國(guó)內(nèi)外幾種主要調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、控制方式和特性進(jìn)行分析比較，并具體介紹了目前調(diào)距槳發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展方向?？紤]到調(diào)距槳應(yīng)用范圍的廣泛性、推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性、控制方式的多樣性，結(jié)合實(shí)船操縱管理，本文首先具體分析了船舶調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理以及遙控系統(tǒng)的

2、一些特點(diǎn)，然后針對(duì)聯(lián)合控制模式這種應(yīng)用廣泛的調(diào)距槳遙控方式進(jìn)行研究。研究了以減少耗油量為目標(biāo)的機(jī)槳匹配問(wèn)題，其中包括以“圖譜法"確定螺旋槳的最高效率曲線，結(jié)合主機(jī)推進(jìn)特性曲線分析耗油率對(duì)耗油量的影響。通過(guò)對(duì)自動(dòng)負(fù)荷控制方式的分析，解決聯(lián)合控制模式中負(fù)荷調(diào)定以及如何消除和降低由于隨機(jī)干擾(如海浪等導(dǎo)致船舶阻力狀態(tài)的瞬變)可能導(dǎo)致的機(jī)槳失配的問(wèn)題。第1章緒論11課題背景隨著船舶動(dòng)力裝置的大型化、自動(dòng)化、復(fù)雜化程度不斷提高，對(duì)船舶推進(jìn)裝置的性能提出了更高的要求。首先從常規(guī)能源角度來(lái)看，石油作為一種不可再生能源，伴隨著人類近兩百年的使用，已經(jīng)日趨短缺，原油價(jià)格不斷上漲，極大地影響到船舶營(yíng)運(yùn)者

3、的利益，客觀上要求我們提高推進(jìn)性能；其次，一些特種船舶，包括軍艦，因其操縱性能及節(jié)能等特殊要求，也對(duì)船舶推進(jìn)型式提出了更高的要求。所有這些，都要求對(duì)傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)裝置進(jìn)行革新。螺旋槳推進(jìn)已成為船舶推進(jìn)的主要形式。大多數(shù)商船都配置一個(gè)螺旋槳位子船尾部中心平面上。螺旋槳的最大效率可達(dá)70左右，損失的30可分成三部分t約lO是由于動(dòng)量損失，10是由于摩擦，其余10是由于螺旋槳尾流轉(zhuǎn)動(dòng)。改變推進(jìn)器的形式可以減少多種不同的損失。例如，使用固定槳葉螺旋槳不可能在所有螺旋槳載荷狀態(tài)下利用全部功率。而使用可調(diào)螺距螺旋槳時(shí)，這個(gè)闖題即可消除。用這種型式螺旋槳，任憑改變螺旋槳載荷(例如，沒(méi)有拖曳自由航行狀態(tài)、拖曳

4、、重拖曳、破冰狀態(tài)或船體、氣候或水深條件的變化)，主機(jī)功率總是可以被全部吸收。因此，使用調(diào)距槳的船舶可以提高船舶整個(gè)營(yíng)運(yùn)期間的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)滿足一些船舶(在自由航行條件下想要有高速度和在拖曳或系泊試驗(yàn)條件下想要有大的拉力的船舶)的特殊要求.12國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀121國(guó)外的研究現(xiàn)狀調(diào)距槳作為一種特殊的螺旋槳在國(guó)外出現(xiàn)已經(jīng)有幾十年的歷史了，隨著船舶制造技術(shù)以及其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其生產(chǎn)技術(shù)隨之不斷發(fā)展進(jìn)步。但調(diào)距槳及軸系由于要安裝螺距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及遙控系統(tǒng)，因此其構(gòu)造及毅部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，相應(yīng)的設(shè)計(jì)制造工藝也受到液壓等相關(guān)行業(yè)發(fā)展情況的制約，因而在各國(guó)的發(fā)展不太均衡。歐洲一些國(guó)家在這方面的研究工作開(kāi)展得較

5、早，不少大公司都有較為成熟的調(diào)距槳遙控系統(tǒng)及其配套產(chǎn)品，如KAMEWA、SCHOTEIL、WARTSILA、MAN-B&W等都有多年生產(chǎn)調(diào)距槳及其遙控系統(tǒng)的歷史，其產(chǎn)品在航運(yùn)市場(chǎng)上占有較大的份額，他們?cè)跈C(jī)械、液壓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方面的特點(diǎn)基本相同，但具體的遙控系統(tǒng)卻各具特點(diǎn)。現(xiàn)今比較有名的生產(chǎn)廠家及其產(chǎn)品有：德國(guó)MAN-B&W公司研制的Alphatronic遙控系統(tǒng)，用于控制與二沖程或四沖程柴油機(jī)相連的調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)；瑞典Berg公司的ERC3000調(diào)距槳控制系統(tǒng)，基于PLC微處理器技術(shù)，適用于各種船型的調(diào)距槳；丹麥倫索(Lyngso)公司的PCS2100推進(jìn)控制系統(tǒng)，用于對(duì)連接到二沖

6、程低速柴油機(jī)或四沖程中速柴油機(jī)的調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行遙控；荷蘭John Crane-Lips公司的LIPSTRONICR系列遙控系統(tǒng)，用于遙控裝備調(diào)距槳的側(cè)推器、方位角推進(jìn)器以及主推進(jìn)裝置；挪威Kongsberg(即原來(lái)的Norcontr01)公司的AutoChief'型遙控系統(tǒng)，用于對(duì)與低速柴油機(jī)相連的調(diào)距槳系統(tǒng)進(jìn)行遙控M。122國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀我國(guó)于八十年代中期開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外的調(diào)距槳生產(chǎn)技術(shù)：蘇州船用機(jī)械廠引進(jìn)了KAMEWA(現(xiàn)已被ROLLS ROYCE公司并購(gòu))公司的調(diào)距槳技術(shù)，生產(chǎn)的系列產(chǎn)品如KL403。ST調(diào)距槳電液遙控系統(tǒng)取得了船級(jí)社的認(rèn)可，并經(jīng)過(guò)了實(shí)船運(yùn)行的考驗(yàn)。SCHOTTE

7、L公司也在我國(guó)成立了肖特爾推進(jìn)器有限公司，專門(mén)從事調(diào)距槳的研制生產(chǎn)。但國(guó)內(nèi)從事調(diào)距槳研究的科研機(jī)構(gòu)及人員較少：八十年代中期，大連海事大學(xué)的郭晨教授曾經(jīng)做過(guò)基于單片機(jī)的調(diào)距槳遙控系統(tǒng)的仿真研究；九十年代中期，上海交通大學(xué)曾在建立三軸燃?xì)廨啓C(jī)及調(diào)距槳推進(jìn)裝置的實(shí)時(shí)仿真模型的基礎(chǔ)上，采用MIRAGE并行數(shù)字仿真工作站進(jìn)行了全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真71；九十年代末期，華東船舶工業(yè)學(xué)院的科研人員采用MC68705R3單片機(jī)開(kāi)發(fā)出了調(diào)距槳螺距控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真，但離實(shí)船的推廣應(yīng)用還有一定的距離?？傮w上來(lái)講，由于起步較晚，加上我國(guó)在此方面的工作開(kāi)展得較少，調(diào)距槳生產(chǎn)技術(shù)基本上都是引進(jìn)國(guó)外的專利，配套的控制系統(tǒng)

8、則基本上是從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)或干脆直接采用國(guó)外產(chǎn)品，因此相對(duì)于國(guó)外特別是北歐等先進(jìn)國(guó)家而言顯得較為落后：現(xiàn)有的調(diào)距槳控制系統(tǒng)大多采用非CPU的芯片甚至分立元器件構(gòu)成，僅相當(dāng)于國(guó)外60、70年代的水平；個(gè)別工程船采用計(jì)算機(jī)及PLC控制技術(shù)，在控制結(jié)構(gòu)、功能、性能等方面接近或達(dá)到國(guó)外90年代先進(jìn)水平；采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)距槳螺距閉環(huán)控制也已取得一定進(jìn)展陸11】。隨著現(xiàn)代船舶向高速化、大型化、高度自動(dòng)化方向發(fā)展，采用調(diào)距槳的優(yōu)點(diǎn)顯得更為突出，在其使用范圍日益廣泛的今天，我國(guó)調(diào)距槳的發(fā)展現(xiàn)狀顯然與此不相稱。123教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤"隨著可調(diào)距槳推進(jìn)裝置的廣泛應(yīng)用，第一艘由我國(guó)自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、

9、目前世界上最先進(jìn)的專用遠(yuǎn)洋教學(xué)實(shí)習(xí)船一大連海事大學(xué)新建教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤"輪就采用了MAN公司的VBS系列調(diào)距槳，控制系統(tǒng)是MAN的Alphatronic2000。實(shí)習(xí)船對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生如何管理和操縱可調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)建立了一個(gè)實(shí)踐平臺(tái)。13課題的提出調(diào)距槳具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，以至其使用越來(lái)越為廣泛。其使用的范圍已經(jīng)從最初的軍艦擴(kuò)展到商船、民用船舶，使用的船型包括集裝箱船、游艇、班輪、拖輪以及消防船、破冰船、挖泥船等各式各樣的工程船舶。僅以渤海地區(qū)黃金水道為例：往返于大連煙臺(tái)的客輪中有多艘采用調(diào)距槳推進(jìn)裝置，如“棒槌島"、“海洋島等建造于九十年代的船舶都是如此；煙臺(tái)救撈局的多艘拖輪也

10、裝備了John-Crane LipS(已于2002年被Wartsila公司并購(gòu))生產(chǎn)的LIPSTRONIC調(diào)距槳遙控系統(tǒng)。但是由于我國(guó)的調(diào)距槳生產(chǎn)使用以及維護(hù)保養(yǎng)的整體水平不高，加之船員素質(zhì)參差不齊以及對(duì)其不太熟悉，采用調(diào)距槳的推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障。通過(guò)對(duì)大連地區(qū)部分修船廠的調(diào)研也證明了這一點(diǎn)：裝備調(diào)距槳的主推進(jìn)動(dòng)力裝置是船上較容易出現(xiàn)故障的部分，而很多故障的出現(xiàn)都是由于不熟悉及操作不當(dāng)造成的。“育鯤”實(shí)際航行過(guò)程中，由于可調(diào)螺旋槳復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，在可調(diào)距槳多種操作模式中，管理人員更多的使用定速模式，并沒(méi)有完全將調(diào)距槳的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)。與此相對(duì)照的是：現(xiàn)階段的輪機(jī)工程專業(yè)教學(xué)中，并沒(méi)有

11、對(duì)配備調(diào)距槳的推進(jìn)裝置及其遙控系統(tǒng)予以足夠的重視，其相關(guān)的知識(shí)介紹時(shí)有疏漏之處，而且對(duì)其近期技術(shù)上的發(fā)展動(dòng)態(tài)也沒(méi)有涉及，由此造成船員對(duì)之不太熟悉，繼而造成此類推進(jìn)裝置維護(hù)保養(yǎng)的整體水平不高。國(guó)際海事組織IMO在海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)公約中明確規(guī)定輪機(jī)員必須經(jīng)過(guò)仿真模擬器的培訓(xùn)，但現(xiàn)有的模擬器對(duì)船舶主機(jī)、輔機(jī)、電站等重要船舶部分強(qiáng)調(diào)較多，而對(duì)用途廣泛的調(diào)距槳遙控系統(tǒng)卻涉及很少.鑒于以上諸多因素，本論文在對(duì)國(guó)內(nèi)外所采用的主要幾種調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、控制方式和特性進(jìn)行認(rèn)真研究、分析比較，并把握其最新發(fā)展動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)地調(diào)研獲取的資料，加上專用實(shí)習(xí)船“育鯤"輪豐富的軟

12、、硬件資源，提出如下課題：結(jié)合搜集到的實(shí)船資料，在對(duì)調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行總體研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)船舶機(jī)動(dòng)航行時(shí)調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，以期將研究結(jié)果用于大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤輪"航行操作管理與實(shí)際的培訓(xùn)教學(xué)。14論文的主要內(nèi)容本文以可調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船“育鯤"輪，重點(diǎn)介紹了機(jī)一槳聯(lián)合控制模式的原理。分析和計(jì)算了在聯(lián)合控制模式下，以減少耗油量為目標(biāo)的機(jī)槳匹配問(wèn)題。其中包括以“圖譜法確定螺旋槳的最高效率曲線，結(jié)合主機(jī)推進(jìn)特性曲線分析耗油率對(duì)耗油量的影響。通過(guò)對(duì)自動(dòng)負(fù)荷控制方式的分析，解決聯(lián)合控制模式中負(fù)荷調(diào)定以及在如何消除和降低

13、由于隨機(jī)干擾(如海浪等導(dǎo)致船舶阻力狀態(tài)的瞬變)可能導(dǎo)致的機(jī)槳失配的問(wèn)題。論文最終針對(duì)“育鯤"輪可調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。15論文的結(jié)構(gòu)第l章簡(jiǎn)述了調(diào)距槳廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展的必然性并就當(dāng)前可調(diào)距槳在國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀進(jìn)行總體分析，在此基礎(chǔ)上提出了本論文的選題。第2章分析了調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成、主要控制方式、基本的運(yùn)行特征，強(qiáng)調(diào)調(diào)距槳控制系統(tǒng)的重要作用。第3章分析了以減少耗油量為目的的聯(lián)合控制模式的原理，從理論上研究了聯(lián)合控制系統(tǒng)中的機(jī)槳匹配問(wèn)題。第4章分析了調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)在實(shí)習(xí)船“育鯤”上的具體應(yīng)用。針對(duì)“育鯤”輪的調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。第5章結(jié)合實(shí)際以及

14、大量的參考文獻(xiàn)，指出了論文所做的工作以及進(jìn)一步需要研究的方向和任務(wù)。第2章調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)分析調(diào)距槳船舶推進(jìn)系統(tǒng)與定距槳船舶推進(jìn)系統(tǒng)具有相同的動(dòng)力裝置組成，包括發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備、后傳動(dòng)裝置、螺旋槳、船體等部分，不同在于調(diào)距槳船舶擁有可調(diào)距槳和其特殊的控制系統(tǒng)。21調(diào)距槳工作原理在理想螺旋槳的理論中【1141，忽略離心力及尾流收縮的影響，可得到水流相對(duì)于葉元體的速度三角形和葉元體上的作用力，如圖21所示。在正常的情況下，葉元體進(jìn)速為匕，轉(zhuǎn)速為1"，半徑r處葉切面的螺距角為秒，水動(dòng)力角為夕。根據(jù)機(jī)翼理論，流體的合速度與弦線成口角流人葉元體時(shí)，葉元體將產(chǎn)生垂直于合速度形的升力三，同時(shí)，也將產(chǎn)生翼型

15、阻力D。其合力可分解為平行于螺旋槳軸線的推力丁，推動(dòng)船舶前進(jìn)，以及垂直于螺旋槳軸線的旋轉(zhuǎn)阻力F。I，卅知確圖21葉元體速度三角形Fig21 Velocity triangle of blade clement bedy當(dāng)船舶由于某種原因而減速時(shí)，葉元體上進(jìn)速變?yōu)槌?，若保持主機(jī)轉(zhuǎn)速不變，葉切面的螺距角不變，來(lái)流攻角則加大為口，旋轉(zhuǎn)阻力亦隨之增加，因而只能降低轉(zhuǎn)速來(lái)增加水動(dòng)力角，從而達(dá)到新的平衡，此時(shí)螺旋槳處于重載狀態(tài)，如圖22所示。22調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)221調(diào)距槳系統(tǒng)的組成及結(jié)構(gòu)調(diào)距槳系統(tǒng)一般包括五個(gè)基本組成部分：調(diào)距槳、傳動(dòng)軸、調(diào)距機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及操縱系統(tǒng)。各部分功能技術(shù)如下：1帶轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)的調(diào)距

16、槳它包括可活動(dòng)的槳葉、槳毅及槳毅內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；2軸系調(diào)距槳與軸系相連，軸的某些部分(一般是尾軸和配油軸)包含在調(diào)距槳裝置中；另外，當(dāng)伺服動(dòng)力油缸位于槳后部時(shí)，為了引進(jìn)和排出液壓油將軸做成中空。首端通過(guò)聯(lián)軸器與中間軸和主機(jī)動(dòng)力相連；3調(diào)距傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉所需力的伺服動(dòng)力油缸，輸送液壓油給油缸的配油裝置、槳葉定位和槳葉位置的反饋裝置及其附屬設(shè)備等，用來(lái)調(diào)節(jié)螺距、穩(wěn)距，以及對(duì)螺距進(jìn)行反饋和指示；4液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)是將船上已有的動(dòng)力改變?yōu)樗欧透姿璧囊簤河蛠?lái)傳動(dòng)。系統(tǒng)中主要有帶傳動(dòng)裝置的油泵、分配轉(zhuǎn)向閥等閥件、油箱和管路組成；結(jié)構(gòu)圖24如示：l-槳葉；2-轉(zhuǎn)盤(pán)：3圓柱銷；4-活塞；5

17、、6螺母；7-滑板；8支承盤(pán)；9-支承座；lO軸承；11彈簧；12配油軸承；13一銷止閥；14_反饋機(jī)構(gòu)；15一拉桿；16油泵；17-轉(zhuǎn)向閥；18溢流閥：19流量控制閥；20-單向閥；21過(guò)濾器；22油箱圖24液壓調(diào)距槳裝置組成和結(jié)構(gòu)Fig24 Compositionand structureofhydraulicCPP5操縱系統(tǒng)包括操縱臺(tái)和控制系統(tǒng)。在聯(lián)合控制時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)遙控操縱手柄時(shí)，能同時(shí)改變螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)中有附屬于此系統(tǒng)的遙控伺服機(jī)構(gòu)、信號(hào)發(fā)送、接收和指示機(jī)構(gòu)等。Alphatronic的調(diào)距槳遙控系統(tǒng)組成如圖25所示：7第2章調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)分析l，駕駛臺(tái)操縱面板；2集控室操縱面板；3

18、駕駛臺(tái)、集控室控制轉(zhuǎn)換面板；4?？刂平涌谵D(zhuǎn)換單元；5負(fù)荷程序單元(可根據(jù)實(shí)際要求選用)；6主機(jī)調(diào)速器；7液壓機(jī)構(gòu)；8調(diào)距槳。圖25 Alphatronic的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig25 Alphatronicremote control structure222調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的幾種主要配置方式1單機(jī)單槳方式16-17此種方式分為使用二沖程低速或四沖程中速的主柴油機(jī)兩種情況。若使用二沖程低速機(jī)，則直接帶調(diào)距槳；若使用四沖程中速機(jī)，則先經(jīng)過(guò)減速齒輪箱，再通過(guò)離合器或不帶離合器連接到調(diào)距槳；選用離合器是為了驅(qū)動(dòng)軸帶負(fù)荷，例如軸帶發(fā)電機(jī)時(shí)二者之間操作切換方便。由于單機(jī)單槳的可靠性不是太高，這種推調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)

19、機(jī)槳匹配優(yōu)化研究進(jìn)方式較為少見(jiàn)【18】。2雙機(jī)雙槳方式此種方式也分為使用二沖程低速或四沖程中速柴油主機(jī)兩種情況。同樣地，對(duì)于二沖程低速機(jī)，通常直接與調(diào)距槳相連；四沖程中速機(jī)則先經(jīng)減速齒輪箱再通過(guò)離合器或不帶離合器與調(diào)距槳相連。離合器的作用與單機(jī)單槳方式下相同。由于采用了雙機(jī)雙槳，這種推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單機(jī)單槳，因此它也使用得最為普遍，大連至煙臺(tái)航線的多數(shù)客輪都是采用此種方式。3側(cè)推器(首側(cè)推、尾側(cè)推)調(diào)距槳作為側(cè)推器使用時(shí)，通常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，即由異步電機(jī)通過(guò)減速裝置帶動(dòng)調(diào)距槳。其原理是：在電機(jī)及螺旋槳的轉(zhuǎn)速保持固定不變的前提下，僅通過(guò)調(diào)節(jié)螺距即可改變螺旋槳推力的大小和方向。在交流電

20、機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展起來(lái)之前，這種方式曾被較多的采用。但隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，交流電機(jī)帶定距槳時(shí)的調(diào)速問(wèn)題隨之得到了較好的解決，這種推進(jìn)方式在未來(lái)市場(chǎng)上的份額會(huì)受到很大沖擊。實(shí)船上，作為主推進(jìn)裝置的調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)，通常都會(huì)帶上一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，這樣能夠起到節(jié)約能源、降低造船和營(yíng)運(yùn)成本(使用軸帶發(fā)電機(jī)則可以減少一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組)、減小運(yùn)行時(shí)機(jī)艙內(nèi)的噪音等作用。223調(diào)距槳運(yùn)行特征對(duì)于定距槳船舶(FPP)，主要是根據(jù)主機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)計(jì)的，如圖2-6所示的定距槳特性曲線與主機(jī)速度特性曲線之間的關(guān)系【191。圖中，l、2、3曲線分別表示主機(jī)在超負(fù)荷、全負(fù)荷、低負(fù)荷下運(yùn)行的速度特性曲線?？?/p>

21、以看到：1當(dāng)船舶在穩(wěn)定的設(shè)計(jì)滿載工況下航行，主機(jī)能發(fā)出全部功率，即額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速，船舶達(dá)到額定航速；2當(dāng)船舶轉(zhuǎn)入超載工況下航行，主機(jī)達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，也就發(fā)不出額定功率；3當(dāng)船舶轉(zhuǎn)入輕載工況下航行，主機(jī)不能發(fā)出額定扭矩，所以也就發(fā)不出額定功率。這些現(xiàn)象說(shuō)明，定距槳船舶推迸系統(tǒng)在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，都不能發(fā)出主機(jī)的全部功率。9第2章調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)分析囂嘲nt嗣nzno圖26定距槳特性曲線Fig26Characteristic 0111Nc ofFPP圖27調(diào)距槳特性曲線Fig27Characteristic curvo ofCPP而對(duì)于調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了與定距槳相同，主機(jī)轉(zhuǎn)速的改變會(huì)同時(shí)影響

22、主機(jī)功率高低以及航速快慢等情況。還可以通過(guò)系統(tǒng)螺距的變化，使航行工況調(diào)節(jié)得更為合理，更趨于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，因而可得到更好的經(jīng)濟(jì)效益。在螺距調(diào)節(jié)過(guò)程中，每一個(gè)螺距變化就相當(dāng)于換了一只螺旋槳。而不同的螺旋槳有各自的特性曲線。圖27給出了兩組特性曲線，表示轉(zhuǎn)速、螺距、功率以及航速之間的相互關(guān)系，這些特性曲線是在航行條件相同的情況下得出來(lái)的。圖27中，1、2、3、48是一組從大到小不同螺距情況下的螺旋槳特性曲線(有時(shí)也可以用螺距槳葉直徑之比來(lái)標(biāo)志)。圖中的虛線表示最佳轉(zhuǎn)速和螺距的關(guān)系。A、B、C、D、E是一組不同航速的速度特性曲線。圖中表明：如果要求航速保持不變，那么加大螺距會(huì)要求轉(zhuǎn)速降低，減小螺距則

23、要求轉(zhuǎn)速增加。如果主機(jī)轉(zhuǎn)速維持一定，那么加大螺距將使航速和功率都得到提高，反之就都有降低。理論和實(shí)踐都表明：同時(shí)改變螺距和主機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)行聯(lián)合控制，比僅改變螺距在節(jié)油方面具有更明顯的經(jīng)濟(jì)效益。224調(diào)距槳基本工作特性調(diào)距槳具有如下三個(gè)基本工作特性20-21】：1船舶在任何工況下均能保持主機(jī)的最佳工況。當(dāng)螺旋槳的轉(zhuǎn)速以。和直徑D確定下來(lái)，要在任何阻力下保持航速一定，只要配以一定的螺距比nD，就可保持扭轉(zhuǎn)系數(shù)j乙不變，從而使l=常數(shù)，保持主機(jī)在額定工況下運(yùn)行。2不同的轉(zhuǎn)速以。和螺距比HD相配合，可得到所需要的船舶航速。通過(guò)合理的搭配刀。和HID都能得到給定航速的推力。如圖2-8所示，調(diào)距槳在柴油機(jī)

24、f上限曲線l、最大轉(zhuǎn)速線2、最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速線3和最低負(fù)荷曲線4所屬的區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn)工作。在該區(qū)域內(nèi)任意搭配一，和HD都能得到給定航速的推力。3在保持螺旋槳轉(zhuǎn)速玎。不變的情況下，改變螺距比nD，船舶可從正車最大航速到倒車最大航速。當(dāng)槳葉處在零螺距位置時(shí)，主機(jī)以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，槳的推力為零，船舶不動(dòng)。當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)到負(fù)螺距位置時(shí)，主機(jī)不改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，船舶實(shí)現(xiàn)倒航。堿轉(zhuǎn)，分，圖28某調(diào)距槳船航行曲線Fig28 Navigaton CUI"Ve of a ship第2章調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)分析23調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)控制方式231調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的主要控制方式1獨(dú)立控制方式主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺旋槳螺距通過(guò)各自的操縱手柄分

25、別進(jìn)行獨(dú)立的控制，也稱為隨動(dòng)控制。雖然其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，但要求駕駛臺(tái)操縱人員非常了解螺旋槳的性能，因而操縱比較復(fù)雜，而且有可能以不適合于螺旋槳(出現(xiàn)空泡、效率低)和主機(jī)(出現(xiàn)超載、失速)的轉(zhuǎn)速和螺距組合來(lái)控制螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)。除了在較早建造的船舶上以外，現(xiàn)在采用這種控制方式的已不多見(jiàn)。2組合控制方式組合控制是保持主機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳螺距角按預(yù)定不變的程序運(yùn)行，通過(guò)單一控制桿同時(shí)控制轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳的螺距角。選擇這種方式時(shí)，操縱是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的聯(lián)合曲線迸行的，這樣可以保證設(shè)定工況下最佳的操縱性能以及經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)槁?lián)合曲線的設(shè)定是綜合考慮了螺旋槳的效率、船舶的操縱性以及主機(jī)的負(fù)荷、最低燃油消耗率等因素；同時(shí)它還

26、可以保證主機(jī)在各種不同工況下不會(huì)超負(fù)荷運(yùn)行。但采用這種控制方式時(shí)，只是在設(shè)計(jì)工況下才能保證螺距角和主機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳匹配，一旦船舶航行狀態(tài)改變后，就很難保證它們之間的最佳匹配關(guān)系。尤其在高負(fù)荷下，隨著船舶航行狀態(tài)的改變，螺旋槳吸收的功率變化也很大，其控制狀態(tài)在某些特殊的工況下可能比單獨(dú)控制方式還要糟糕，此時(shí)不適合采用這種控制方式，因此它適用于航行工況比較單一的船舶如定點(diǎn)班輪等。在現(xiàn)今船上調(diào)距槳大多采用的是組合方式的一種改進(jìn)自動(dòng)負(fù)荷控制方式。自動(dòng)負(fù)荷控制方式是用單一操縱手柄來(lái)設(shè)定主機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，其基本原理是將實(shí)際負(fù)荷與設(shè)定負(fù)荷相比較，根據(jù)負(fù)荷偏差自動(dòng)控制調(diào)距槳的螺距角，直到實(shí)際負(fù)荷與設(shè)定負(fù)荷相等。

27、自動(dòng)負(fù)荷控制的負(fù)荷設(shè)定原則是使推進(jìn)系統(tǒng)(主機(jī)和螺旋槳)的綜合效率最高，這樣在額定工況下其推力也最大。在這種控制系統(tǒng)中，在低負(fù)荷范圍內(nèi)可將其自動(dòng)轉(zhuǎn)為恒定轉(zhuǎn)速控制。這種控制方式在主機(jī)的所有工況下都能獲得較高的效率和良好的操縱性能。3定速控制方式也稱為軸帶發(fā)電機(jī)方式、螺距控制或跟蹤控制。選用這種操縱方式時(shí)，保持主機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，僅通過(guò)調(diào)節(jié)螺距角來(lái)改變船速。這種方式下由于主機(jī)轉(zhuǎn)速保持12調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究恒定，通常由它來(lái)驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)等輔機(jī)。4非跟蹤控制方式這是應(yīng)急操作時(shí)的控制方式。當(dāng)螺距控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，而電源和螺距液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍能正常工作，可利用駕駛臺(tái)上的應(yīng)急操縱按鈕通過(guò)這種控制方式直接

28、控制調(diào)距槳的螺距；或者是將調(diào)距槳的螺距固定在正車某一位置，將它作為定距槳來(lái)使用。它通常作為上面其它控制方式的備用控制方式。232調(diào)距槳控制方式的要求由于我國(guó)的調(diào)距槳生產(chǎn)使用以及維護(hù)保養(yǎng)的整體水平不高，加之船員素質(zhì)參差不齊以及對(duì)其不太熟悉，采用調(diào)距槳的推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障。通過(guò)對(duì)大連地區(qū)部分修船廠的調(diào)研也證明了這一點(diǎn)：裝備調(diào)距槳的主推進(jìn)動(dòng)力裝置是船上較容易出現(xiàn)故障的部分，而很多故障的出現(xiàn)都是由于不熟悉及操作不當(dāng)造成的。在“育鯤"實(shí)際航行過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)由于可調(diào)距螺旋槳復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，在可調(diào)距槳多種操作模式中，管理人員更多的使用定速模式，不能將調(diào)距槳的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)。所以，我

29、們要求船舶管理人員熟悉調(diào)距槳的多種控制方式，充分體現(xiàn)可調(diào)距槳船舶推進(jìn)裝置的優(yōu)越性。調(diào)距槳控制方式的具體控制要求有：1基本控制要求調(diào)距槳控制過(guò)程中要求以較快的控制速度，平穩(wěn)、無(wú)超調(diào)地逼近指定螺距，并且工作穩(wěn)定、可靠。2特殊航行工況要求在大、中型船舶通過(guò)復(fù)雜航道或進(jìn)出港時(shí)，既需要超低速航行，又要有良好的機(jī)動(dòng)性和操縱性。調(diào)距槳可以采用恒定轉(zhuǎn)速方式，在良好的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下把推力從最大值減小到任何值，因而使船舶超低速航行。必要時(shí)還可使調(diào)距槳交替正車或倒車，以保證舵效。在船舶通過(guò)大型運(yùn)河時(shí)，由于航行工況比較穩(wěn)定，可以采用同時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與螺距的聯(lián)合控制模式。3經(jīng)濟(jì)性要求選取合理的方式控制航速使燃油量為最小，從而

30、改善了船舶的經(jīng)濟(jì)性，增加了船舶續(xù)航能力。第2章調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)分析2。4調(diào)距槳的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用傳統(tǒng)意義上，對(duì)于采用主柴油機(jī)動(dòng)力的可調(diào)螺距螺旋槳作為推進(jìn)裝置的船舶，人們將其在海上各種航行狀態(tài)時(shí)的基本工況歸結(jié)為2類：一類為穩(wěn)定工況，包括前進(jìn)工況，后退工況，系泊工況，拖、頂工況；另一類為變(機(jī)動(dòng))-r況，包括變速、變載工況，機(jī)動(dòng)(過(guò)渡)如轉(zhuǎn)彎、緊急換向工況。緊急換向工況是海上前進(jìn)航行船舶為避免可能發(fā)生的海難事故，而盡快將可調(diào)槳的正螺距變?yōu)樨?fù)螺距，迅速將船舶前進(jìn)改為后退的應(yīng)急工況，它要求推進(jìn)裝置響應(yīng)的快速性和可靠性。241調(diào)距槳的優(yōu)缺點(diǎn)螺旋槳作為船舶推進(jìn)裝置的重要組成部分，其性能對(duì)推進(jìn)裝置的整體效率有很大

31、的影響。普通的定距槳螺距固定，一旦制造好后就不再改變，因此只有一組工作特性曲線；而調(diào)距槳的槳葉螺旋面與槳轂可作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉可以改變螺距，進(jìn)而改變其工作特性曲線，因此一只調(diào)距槳相當(dāng)于無(wú)窮多個(gè)相同外徑不同螺距的定距槳嘲。調(diào)距槳在運(yùn)行時(shí)既能調(diào)節(jié)螺距，又能調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，因而對(duì)比定距槳只能調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速而言，它能夠在更大的范圍內(nèi)更好的與主機(jī)配合工作【231。調(diào)距槳對(duì)比定距槳而言具有以下優(yōu)點(diǎn)：。1對(duì)船舶航行條件的適應(yīng)性強(qiáng)：不論船舶航行的阻力因素如何變化，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)其螺距，可使調(diào)距槳的轉(zhuǎn)矩不變，這樣主機(jī)可以持續(xù)發(fā)出額定功率，并維持在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。2動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性好：調(diào)距槳每改變一次螺距就會(huì)有一

32、條效率曲線，每條效率曲線都有一最高效率值，沿著各條效率曲線最高值的包絡(luò)線運(yùn)行時(shí)，其效率比偏離設(shè)計(jì)工況的定距槳效率要高，因此采用調(diào)距槳對(duì)于不能總是運(yùn)行在設(shè)計(jì)工況下的船舶而言是切實(shí)有效的推進(jìn)措施。3船舶的機(jī)動(dòng)性高：船舶采用調(diào)距槳時(shí)，船速的調(diào)節(jié)可通過(guò)改變主機(jī)轉(zhuǎn)速和槳的螺距兩個(gè)參數(shù)來(lái)完成；船舶的進(jìn)、退可通過(guò)螺距角的正、負(fù)變化來(lái)完成。這樣在三個(gè)方面提高了船舶的機(jī)動(dòng)性：(1)螺距角的正、負(fù)轉(zhuǎn)換比主機(jī)換向迅速，尤其在船速較高時(shí)。(2)調(diào)距槳船能比定距槳船提供更大的反向推力。(3)船舶可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。主機(jī)保持在高轉(zhuǎn)速時(shí)也可通過(guò)降低螺距以獲得極慢的航速，完全不受主機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的限制。這在船舶航行中的操縱避碰方

33、面是一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)。14調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究4有利于主機(jī)驅(qū)動(dòng)輔助負(fù)荷：調(diào)距槳船可通過(guò)調(diào)節(jié)螺距使主機(jī)以恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，這有利于主機(jī)驅(qū)動(dòng)軸帶負(fù)荷如軸帶發(fā)電機(jī)等。例如，某些工程船如挖泥船、消防船等在滿載航行或奔赴火區(qū)時(shí)，主機(jī)功率全部供給螺旋槳以全速前進(jìn)，而達(dá)到工作區(qū)后主機(jī)的大部分功率則用于驅(qū)動(dòng)消防水泵等輔助設(shè)備。5延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命：調(diào)距槳船可通過(guò)改變螺距的正負(fù)來(lái)改變螺旋槳的推力方向，使主機(jī)轉(zhuǎn)速可以固定在最適當(dāng)?shù)奈恢?，從而減少主機(jī)起、停次數(shù)，使得運(yùn)動(dòng)部件的磨損及受熱部件的熱疲勞損壞程度降低。對(duì)兩艘完全相同僅螺旋槳不同的姊妹船的統(tǒng)計(jì)表明：在完全相同的航次、航程中，定距槳的主機(jī)起動(dòng)次數(shù)為2500次以

34、上，而調(diào)距槳的主機(jī)起動(dòng)次數(shù)為102次，相差了近25倍，過(guò)頻的起動(dòng)次數(shù)大大降低了船舶主機(jī)的使用壽命。6便于實(shí)現(xiàn)遙控：柴油機(jī)的起動(dòng)遙控機(jī)構(gòu)比調(diào)距槳機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速遙控和螺距遙控部分要復(fù)雜得多，而調(diào)距槳可在柴油機(jī)不停機(jī)的情況下進(jìn)行各種調(diào)整，因此船舶操縱系統(tǒng)在采用調(diào)距槳時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)集控和遙控。對(duì)于多槳船舶，由駕駛臺(tái)直接操縱螺距，不僅可以達(dá)到各槳?jiǎng)幼鞯耐?，更提高了機(jī)動(dòng)性能。隨著現(xiàn)代化船舶自動(dòng)化程度越來(lái)越高，采用調(diào)距槳便于集控和遙控，很好地順應(yīng)了這一發(fā)展趨勢(shì)嗍。當(dāng)然，調(diào)距槳也有一些其固有的缺點(diǎn)。例如：造價(jià)和初裝費(fèi)用較高、可靠性不及定距槳、額定工況下的效率稍低、槳葉根部易發(fā)生空泡等，但從總體上來(lái)講，調(diào)距槳與定距

35、槳相比，具有航行條件適應(yīng)性強(qiáng)和動(dòng)力裝置的綜合經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)圈o242調(diào)距槳應(yīng)用從上述調(diào)距槳的工作原理及所具有的諸多優(yōu)越性來(lái)看，一般而言，下列幾種類型的船舶宜采用調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)：1對(duì)靈敏度要求較高，需要經(jīng)常靈活地前進(jìn)、停止及倒退的船舶，如港作的拖輪，車客渡船、海洋調(diào)查船等；2對(duì)航程較遠(yuǎn)、具有多種工況的船舶。如拖網(wǎng)漁船、捕鯨船等；3對(duì)一些專用的工程船舶，加布纜船、消防船等；4對(duì)水域情況變化較大，航道復(fù)雜、橋孔較多的內(nèi)河運(yùn)輸船舶，如長(zhǎng)江、運(yùn)河的船舶及船隊(duì)。15第2章調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)分析然而，由于調(diào)距槳具有的優(yōu)越性，現(xiàn)己不僅僅只限于上述幾種類型的船舶采用調(diào)距槳。國(guó)際、國(guó)內(nèi)己有許多大型的散裝貨船、集裝箱船

36、、滾裝船、油輪及大型頂推船隊(duì)也都采用調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)。因此，調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)具有很大的發(fā)展前景。國(guó)際航運(yùn)界已有幾十年的使用經(jīng)驗(yàn)，調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)己日臻完善，海洋、江河、湖泊里的各種運(yùn)輸船舶常常采用此種推進(jìn)系統(tǒng)。如美國(guó)的密西西比河、歐洲的萊茵河、俄羅斯的伏爾加河及北非的尼羅河均有采用此種推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)輸船舶和推拖船隊(duì)。裝有調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，特別是推拖船隊(duì)，在?？看a頭、過(guò)橋孔、過(guò)船閘以及經(jīng)過(guò)復(fù)雜的航道等情況下，更顯示出操縱性好，安全可靠的特性。25本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成，重點(diǎn)分析了其主要配置方式和主要控制方式：通過(guò)分析可調(diào)距槳的運(yùn)行特征、基本工作特性以及優(yōu)缺點(diǎn)，說(shuō)明了調(diào)距

37、槳的控制系統(tǒng)的重要作用。第三章將重點(diǎn)研究采用聯(lián)合控制方式時(shí)，變距槳系統(tǒng)中的機(jī)槳匹配問(wèn)題。16調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化采用調(diào)距槳的船舶推進(jìn)裝置可以在一定范圍內(nèi)選取轉(zhuǎn)速和螺距的組合，產(chǎn)生不同的推力，以滿足船舶各種工況和作業(yè)的需要。在船舶操作中，這一過(guò)程是通過(guò)聯(lián)合控制系統(tǒng)來(lái)完成的。國(guó)內(nèi)船員對(duì)于調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)還不是很熟悉，包括實(shí)習(xí)船“育鯤"在內(nèi)，航行過(guò)程中對(duì)于調(diào)距槳推進(jìn)裝置操作模式過(guò)于單一，不能充分發(fā)揮調(diào)距槳的優(yōu)越性。本章將重點(diǎn)研究聯(lián)合控制系統(tǒng)中機(jī)一槳的“最佳"匹配，便于廣大船員深入了解調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)。31機(jī)槳聯(lián)合控制原理對(duì)于裝有定

38、距槳推進(jìn)裝置的船舶，改變船速的唯一辦法是改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速。而對(duì)于裝有調(diào)距槳的船舶，船舶航速的改變，是由推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳的螺距這二個(gè)因素來(lái)決定的。調(diào)距槳子系統(tǒng)和柴油機(jī)子系統(tǒng)交叉偶合，如圖31所示，在某一船舶阻力狀態(tài)下，調(diào)節(jié)螺距會(huì)使槳的水阻力矩發(fā)生變化，進(jìn)而影響柴油機(jī)的油門(mén)大小并導(dǎo)致柴油機(jī)的輸出扭矩發(fā)生變化；同樣調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速也影響調(diào)距槳的水阻力矩并使油門(mén)變化26-28。油門(mén)FPS圖3，l機(jī)槳耦合模型Fig31 Coupling model ofengine-propeller17第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化本章主要研究調(diào)距槳與柴油機(jī)的優(yōu)化匹配控制問(wèn)題，亦即使調(diào)距槳的水阻力矩趨于柴

39、油機(jī)的輸出扭矩而保持機(jī)槳的匹配。對(duì)裝有調(diào)距槳推進(jìn)裝置的船舶，要獲得一定的航速，可有很多種轉(zhuǎn)速與螺距的組合。如果我們把調(diào)距槳推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)速與螺距，運(yùn)用一只手把來(lái)進(jìn)行遙控，同時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速與螺距，并且使得這一組轉(zhuǎn)速與螺距的配合是“最佳"的，我們把這樣的控制稱主桐廣調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)。32機(jī)槳聯(lián)合控制的關(guān)鍵問(wèn)題321機(jī)槳聯(lián)合控制的目標(biāo)機(jī)槳聯(lián)合控制是指用單操縱手柄同時(shí)操縱調(diào)距槳的螺距日和主機(jī)的轉(zhuǎn)速，聯(lián)合控制的意義在于機(jī)槳的良好匹配。由于船舶的種類繁多，各有各的使命，所最求的(最佳)目標(biāo)并不完全相同。若僅從推進(jìn)的有效性角度出發(fā)，那么，按船舶種類和作業(yè)要求，大致可歸納成兩種目標(biāo)：1推進(jìn)裝置單位時(shí)間的

40、耗油量G最小，即minq作為最佳匹配的目標(biāo)函數(shù)。2推進(jìn)裝置在任何航速下推力最大，即maxP作為最佳匹配的目標(biāo)函數(shù)。對(duì)于拖網(wǎng)漁船常常最求極小化的裝置耗油量。因?yàn)橥暇W(wǎng)漁船，據(jù)統(tǒng)計(jì)，拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)間占出海時(shí)間的40以上，往返漁場(chǎng)和轉(zhuǎn)移漁場(chǎng)時(shí)間占23至33。拖網(wǎng)作業(yè)，主機(jī)以較大功率運(yùn)行，若能在滿足拖網(wǎng)力的前提下，最可能地減小裝置的耗油量，那么，在整個(gè)作業(yè)時(shí)間就能減少燃油費(fèi)用，求得極高的經(jīng)濟(jì)效益。貨駁拖輪或頂推輪也往往以此作為目標(biāo)。港作拖輪則往往以極大化推力作為最優(yōu)化目標(biāo)，這是由它們作業(yè)性質(zhì)決定的。救助拖輪也是如此。這類工作船拖曳作業(yè)的時(shí)間短，但要求提供大的拖力。而且大的拖力也擴(kuò)展了工作范圍。大連海事大學(xué)“

41、育鯤”輪是以教學(xué)為目的的實(shí)習(xí)船，不適合以推力最大作為優(yōu)化目標(biāo)，所以本章以耗油量最小作為機(jī)槳聯(lián)合控制的優(yōu)化目標(biāo)。調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究基于機(jī)槳優(yōu)化匹配的目標(biāo)，機(jī)槳聯(lián)合控制的關(guān)鍵問(wèn)題可歸結(jié)為三個(gè)方面：首先是如何獲取優(yōu)化后的機(jī)槳匹配關(guān)系，以降低甚至消除主機(jī)的剩余功率；其次是如何在保持機(jī)槳匹配的條件下保護(hù)主機(jī)免受損害，即盡量縮短主機(jī)的過(guò)載時(shí)間或避免過(guò)載發(fā)生；最后是如何降低和消除由于隨機(jī)干擾(如海浪等導(dǎo)致船舶阻力狀態(tài)的瞬變)可能導(dǎo)致的機(jī)槳失配12惻。322機(jī)槳聯(lián)合控制的方法分析為了獲取相互匹配且優(yōu)化的螺距調(diào)節(jié)軌線和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)軌線，我們必須要對(duì)船舶定常工況下的主機(jī)調(diào)距槳船體的綜合穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析。它

42、們之間的關(guān)系可用下面一組方程來(lái)表示【31-33：根據(jù)牛頓定理，船舶推進(jìn)系統(tǒng)在無(wú)偏轉(zhuǎn)作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以用下面方程來(lái)描述：動(dòng)力學(xué)關(guān)系：卜辱圳魯2以專_扣吩一埤(31)講。7f，2 1l運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系：=·f=(1一co)·匕在上列式中：P可調(diào)螺旋槳有效推力(N)；辟船體的運(yùn)動(dòng)阻力(N)；W船舶的質(zhì)量(包含水)(kg)；-螺旋槳的進(jìn)速(咖)；匕船舶的航速(咖)；I攤進(jìn)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；螺旋槳轉(zhuǎn)速(，mm)；19(32)第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化勃主機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin)：主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩(N·M)；吩軸系的摩擦力矩(N·M)；坼螺旋槳的阻力矩(N

43、·M)；f后傳動(dòng)裝置的減速比，j=咋；其中，推進(jìn)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I包括以主機(jī)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Il以及以螺旋槳旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量12，即，=·i2+厶。根據(jù)柴油機(jī)原理，我們知道，柴油機(jī)有效耗油率&指每有效馬力小時(shí)的耗油量，它可以通過(guò)對(duì)柴油機(jī)有效功率Pc，每小時(shí)燃油消耗量Gf的測(cè)量而求得。G=虧(33)式中：&柴油機(jī)有效耗油率，(餾加·h)；柴油機(jī)有效功率，(ks,)；q每d,Uq燃油消耗量，(kgh)同樣的，P釧卅瑪(苦，乃腳4磚(3-4)嗚=(石H，冬咖。諺(35)=石(墨，K，孫，魄)(36)2 A(eo，名，e，磊)(37)吩=五()(33)乃2D(3

44、9)式中，巧螺旋槳的推力系數(shù)K螺旋槳的扭矩系數(shù)p水的質(zhì)量密度，本文討論的是育鯤輪航行環(huán)境是在近海區(qū)域，故使用海水的密度。20調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究螺旋槳轉(zhuǎn)速cqmm)；D螺旋槳的直徑，螺旋槳的直徑為3800m巧=珞(1一動(dòng)螺旋槳進(jìn)速D伴流系數(shù)t隹力減額系數(shù)厶螺旋槳進(jìn)速系數(shù)日螺距馴D一螺距比螺旋槳效率船體影響系數(shù)只主機(jī)平均有效壓力主機(jī)排氣壓力名主機(jī)入口處的空氣壓力寫(xiě)主機(jī)入口處的空氣溫度我們知道，在上述表達(dá)式中包含了很多的、以圖表形式給定的、復(fù)雜的非線性關(guān)系，這樣就不能夠運(yùn)用一般的數(shù)學(xué)形式來(lái)求得“最佳"程序，而必須要用圖解法數(shù)字計(jì)算兩者綜合的方法【j¨51。33機(jī)槳聯(lián)合

45、控制的機(jī)一槳匹配優(yōu)化在確定了機(jī)槳聯(lián)合控制的目標(biāo)和分析方法后，下面結(jié)合“育鯤船、機(jī)、槳的設(shè)計(jì)資料來(lái)確定最低耗油量Gf的機(jī)一槳匹配關(guān)系及操作程序。331機(jī)槳匹配優(yōu)化目標(biāo)的影響因素推進(jìn)裝置耗油量的大小，主要取決于兩個(gè)性能參數(shù)：一個(gè)是螺旋槳的效率；另一是主發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率，或者說(shuō)有效耗油率，即所需的主發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。兩者的綜合決定了推進(jìn)裝置的效率，換句話說(shuō)，就是推進(jìn)裝置的單位時(shí)間耗油量。螺旋槳的有效推功率亞驢=e。仇。仇仇。(310)21第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化軸系傳遞效率仇相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率仇船身效率螺旋槳效率當(dāng)螺旋槳的有效推功率THP等于船體有效功率EHP時(shí)，則船舶就以一個(gè)確定的航速圪航行

46、，于是THP=EHP=。仉r,。(311)或者當(dāng)船舶以K速度航行時(shí)，推進(jìn)裝置的耗油量為：q=忍·=(冊(cè)(K)(rb。仇)(312)在航速變化不大的情況下，軸系傳遞效率仇、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率珥、船身效率變化很小，故忽略不計(jì)。因此上式可寫(xiě)成q=c-E卯(圪)(M，以)(馴D，乃)(313)因此推進(jìn)裝置耗油量主要由圪航行時(shí)的船體有效功率EHP(V,)，螺旋槳的敞水效率和主機(jī)的有效耗油率決定。當(dāng)航速一定時(shí)Gf=c。(M，刀)(HID，乃)(314)即對(duì)每一個(gè)給定的航速，推進(jìn)裝置耗油量?jī)H是和鞏的函數(shù)?；蛘哒f(shuō)是主機(jī)扭矩材和轉(zhuǎn)速胛，螺旋槳迸速系數(shù)屯和螺距比馴D的復(fù)合函數(shù)，可寫(xiě)為：G，=f(g，以，馴D，

47、乃)(315)332機(jī)槳匹配優(yōu)化中螺旋槳效率的確定1螺旋槳MAU圖譜法介紹螺旋槳圖譜是根據(jù)螺旋槳模型敞水系列試驗(yàn)繪制成的。目前各國(guó)已經(jīng)發(fā)表的螺旋槳設(shè)計(jì)圖譜很多，有的只是表達(dá)形式不同而實(shí)驗(yàn)資料相同；有的則是螺旋槳形式不同。因此，在進(jìn)行圖譜法計(jì)算時(shí)，必須針對(duì)船舶特點(diǎn)，現(xiàn)有螺旋槳特點(diǎn)，選用合適螺旋槳圖譜。目前，在商船螺旋槳設(shè)計(jì)中，以荷蘭楚思德召型螺旋槳和日本AU型螺旋槳應(yīng)用最為廣泛。調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究(1)AU型圖譜AU型螺旋槳是日本運(yùn)輸技術(shù)研究所發(fā)展的螺旋槳系列，屬于占一萬(wàn)型圖譜。近年來(lái)日本有關(guān)部門(mén)又對(duì)切面形狀等作了改進(jìn)，擴(kuò)大了盤(pán)面比和螺距比范圍，進(jìn)行了3一_6葉螺旋槳模型的系列試驗(yàn)，

48、并作出了設(shè)計(jì)圖譜。荷蘭瓦根寧根據(jù)在船模試驗(yàn)池對(duì)B型系列螺旋槳的試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了力一萬(wàn)型圖譜。圖譜也經(jīng)過(guò)幾次的改動(dòng)，此類螺旋槳在商船上應(yīng)用很廣，具有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史。通常所指AU型螺旋槳包括下列幾種類型：AU型螺旋槳：這是初始階段發(fā)展的螺旋槳模型，一般為5葉和6葉螺旋槳所用。改進(jìn)AU型，用MAU表示：這種型式是對(duì)原型AU螺旋槳在葉梢部分切面前緣形狀進(jìn)行局部修正。AU型4葉槳系列采用這種形式。實(shí)踐證明：AU型原螺旋槳面的空泡裕度過(guò)大，因此少量減小葉切面前緣的高度，適當(dāng)降低面空泡的裕度，可以增加葉背的抗空泡性能。這種改動(dòng)反應(yīng)在切面的拱線(或稱中線)上表現(xiàn)為增大了拱度而減小攻角，經(jīng)計(jì)算比較，MAU型和AU原

49、型的水動(dòng)力性能是接近的。因此，AU型5葉及6葉螺旋槳的設(shè)計(jì)圖譜能完全用于設(shè)計(jì)MAU型5葉及6葉螺旋槳。彳型：AU型槳葉切面的后緣具有一定翹度(對(duì)于改善槳葉根部葉間干擾有一定效果)，在6葉槳上采用這種型式，稱彳己0型。對(duì)于MAU型的葉切面后緣具有一定翹度(即刎)的設(shè)計(jì)，應(yīng)用彳型圖譜也具有相當(dāng)?shù)木萬(wàn)3刀。(2)口型螺旋槳和AU型螺旋槳圖譜區(qū)別在圖譜型式上二者除了橫坐標(biāo)(召型螺旋槳為毋，4u型螺旋槳圖譜為辟)略有差別外，其余基本相同。但在實(shí)際使用時(shí)有很大的差別。AU型螺旋槳圖譜：a設(shè)計(jì)時(shí)采用的計(jì)算系數(shù)毋和萬(wàn)中參數(shù)均為公制單位。b圖譜已經(jīng)轉(zhuǎn)換至海水情況。c圖譜查出的最佳直徑就是船后采用的螺旋槳最佳直

50、徑。召型螺旋槳圖譜：第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化a設(shè)計(jì)時(shí)所采用的均為英制單位。b圖譜是工作于淡水時(shí)的螺旋槳性能，故在計(jì)算海船螺旋槳時(shí)尚需考慮水的密度不同引起的影響。c根據(jù)丑型螺旋槳的實(shí)驗(yàn)研究表明，對(duì)于1969年以前發(fā)表的丑型圖譜，從圖譜查的最佳直徑用于船后時(shí)應(yīng)減小(2-4)，對(duì)于單槳和雙槳、不同材料的螺旋槳的影響也不相同。對(duì)于1969年及其以后發(fā)表的圖譜，其最佳直徑比原圖譜有所減小，故一般可以把圖譜所得的直徑直接用于船后【38I。2確定螺旋槳的最高效率我們分析螺旋槳的效率，7。，在前面我們已經(jīng)講到裝定距槳的船舶航速在船的阻力已定的情況下，僅與螺旋槳的轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此螺旋槳特性曲線上的一點(diǎn)

51、便對(duì)應(yīng)于一個(gè)確定的航速，如圖3-2所示。而對(duì)于裝調(diào)距槳的船的航速，在船舶工況已定的情況下，由二個(gè)參數(shù)來(lái)確定。一個(gè)是轉(zhuǎn)速，一個(gè)是螺距。因此在一甩坐標(biāo)上與每一航速相應(yīng)的不是一個(gè)點(diǎn)，而是一條曲線，如圖33所示。在乃=const的曲線上的每一個(gè)點(diǎn)，便決定了螺旋槳的螺距與轉(zhuǎn)速的數(shù)值，即在此螺距與轉(zhuǎn)速的配合下，便能夠得到給定的航速。圖32定距槳推進(jìn)曲線Fig32FPPpropulsion curVc調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究圖33調(diào)距槳推進(jìn)曲線Fig33CPPpropulsion cllrvoH，>HI為了分析各種因素對(duì)保證一定航速所必需的主機(jī)有效馬力的影響，我們研冤將主機(jī)功率直接傳遞給調(diào)距槳的

52、單軸動(dòng)力裝置的情況。的大小是由螺旋槳所需的功率DHP以及克服軸系傳動(dòng)所消耗的摩擦功率之和來(lái)確定的。e=DHP+尸，式中DHP：盟75rlerls(316)刪2只一班m從式316中，我們可以看出當(dāng)=const時(shí)，影響D船的主要是反映阻力R變化的一些因素。如海面風(fēng)浪、船體阻力改變、拖曳載荷的阻力改變、吃水深淺等等；另外影響DHP的因素是調(diào)距槳工作狀態(tài)的參數(shù)，也就是螺距與轉(zhuǎn)速。由于螺距與轉(zhuǎn)速的改變，使鞏和rl,的數(shù)值也會(huì)改變。17,是船體影響系數(shù)。lrrl,2Fi(318)在式318中，國(guó)是伴流系數(shù)，它主要是決定于船舶的速度狀態(tài)，是推力減第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化額，它對(duì)于給定的船尾線型和

53、螺旋槳相對(duì)于船體的布置情況，基本上是由通過(guò)槳盤(pán)的水流來(lái)確定的，隨著阻力R的改變，螺旋槳的推力也將發(fā)生改變，這將導(dǎo)致通過(guò)槳盤(pán)的水流的改變，并由此導(dǎo)致推力減額的改變。在=cortst，辟=const時(shí)，調(diào)距槳的螺距和轉(zhuǎn)速對(duì)螺旋槳所需的功率DHP影響是同義的。那么，我們可以認(rèn)為推進(jìn)裝置的工作狀態(tài)對(duì)DHP的影響僅與轉(zhuǎn)速行有關(guān)。船舶作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可調(diào)螺旋槳的有效推力和船舶阻力相等，即(1-t)巧川D4=耳=c號(hào)筇曙(319)或(1-t)硨一D4一c丟筇曙=0其中c2c，。k+AcI+嚷+(320)c，摩擦阻力系數(shù)血，船體表面粗糙度引入的附加系數(shù)乞璇渦阻力系數(shù)cm興波阻力系數(shù)P船體周圍流體的密度(培腳

54、3)S船體的浸水面積(坍2)k由船體表面彎曲引入的修正系數(shù)整理后島一刊鍘=。(321)令2F而cS麗，并代入乃2弩后得硨一嚷=0(322)對(duì)于調(diào)距槳，根據(jù)巧=鬈，有很多不同的進(jìn)速系數(shù)乃和馴D組合，使槳調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化研究產(chǎn)生等于烙航速時(shí)船體阻力的有效推力。其中也必然有一對(duì)使螺旋槳最高的最優(yōu)組合，下面分兩種情況討論。當(dāng)船舶航行工況一定時(shí)，其阻力特性是已知的，因此式弓一嚷雒=o的系數(shù)口是一個(gè)確定的值。將局=名畫(huà)在弓=f(n，HD)的圖譜上，對(duì)于每一個(gè)給定的刀D，可以從零與寫(xiě)曲線相交點(diǎn)得出乃(因?yàn)轳ZD給定后，蜀曲線也確定了)，從而屹和也確定了·根據(jù)P-K：4D5=廠()(323)就可算出等螺距比時(shí)螺旋槳推進(jìn)特性，同時(shí)也可算出相應(yīng)的圪K=緲()選取“育鯤”輪進(jìn)行實(shí)例分析，“育鯤"的主要技術(shù)參數(shù)如下：第3章調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)機(jī)槳匹配優(yōu)化表3I“育鯤”基本參數(shù)表總載重量t 6000船總長(zhǎng)m 116oo型寬m 18型深m 835設(shè)計(jì)吃水m 540設(shè)計(jì)航速h18調(diào)距槳類型颶，980咖3lO螺旋槳葉數(shù)目4螺旋槳直徑姍3800螺距控制系統(tǒng)類型AIpbalrordc2000在“育鯤”輪對(duì)應(yīng)的Md