基于仿真的全柴联合动力装置特殊工作制联控曲线研究

徐 青 杨义顺 忻元健 唐雷杰 王永生

1 中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

2 海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

0 引 言

联合动力装置是指随着舰船航行工况的不同而改变发动机、推进器和运行方式的推进装置。联合动力装置通过主机、传动装置、推进器的合理配置和组合，能充分发挥主机和推进器的优点，使推进装置在全部运行工况范围内保持优良性能，满足舰船在高、中、低速工况下的不同要求。所以，国内外的护卫舰和驱逐舰大都采用了联合动力装置。

全柴联合动力装置通常是指CODAD的配置形式。当主机的单机功率小于每推进轴上所要求的总功率时，就会出现“多机共轴”（也称“多机并车”）的配置形式，其中，双机并车（齿轮箱内并车和减速传动）的配置形式较为常见。这种配置通常是采用相同型号的柴油机。这样，推进装置的操纵使用、维护修理和备品配件供应都较方便、简单，系统全寿命费用也较低。另外，同一机型的分舱布置也提高了系统冗余度，增强了舰船生命力。

联合动力装置在组成上的复杂性和工况上的多样性给其设计目标（获取“各主要战术技术性能兼优”或“综合性能好”）带来了困难，也提出了挑战。在一艘舰船的初步设计阶段或方案设计阶段，要设计出能充分保证舰船优良综合性能的推进装置，现代仿真技术（也称“系统仿真”）的应用是一个必要条件。

所谓系统仿真，一个较为广义的定义是，“以与相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或假想的系统进行研究的一门多学科的综合性技术”［1-2］。系统仿真另一个较为简洁的定义为，“仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的”［3-5］。仿真是基于模型的实验，它是作为理论分析、原理试验以外的第三种认识世界的科学手段，其应用范围日益普及和扩大［6］。仿真技术在舰船推进系统设计上的应用非常广泛，发展也很迅速。从推进装置的选型、布置到舰船快速性、操纵性、机动性、适航性的分析和预报，从设备的状态监测到使用操纵的训练，从振动分析到水下噪声辐射预估，从推进装置控制规律的设定到推进系统最佳性能的获取，系统仿真技术在国内外都已有广泛而深入的应用［7-8］。比如，朱亚莉、隋林等［9-10］基于准稳态方法建立了某船CODAD推进系统数学模型，并进行了计算机仿真，得到了该船在四机双桨推进模式下“转速—螺距—航速”的稳态特性图。据称，该研究将其仿真结果与国外某公司在相互完全独立背景下得到的该课题的稳态计算结果进行了比较，主要数据基本吻合，最大误差在3%以内。该研究还将费用最低作为目标，以某一航速下的燃油耗量最低作为目标函数进行优化计算，求得了调距桨螺距比和柴油机转速的最佳匹配。

本文将运用仿真方法来研究CODAD推进装置最佳特殊工作制的主机—调距桨联控曲线的设计问题。所指的特殊工作制是指四机双轴CODAD推进的单轴工作制和三机工作制。首先，建立推进系统主要部件的数学模型，根据这些部件的力和运动关系将这些部件集成为推进系统模型，然后，再进行相关研究。

1 推进装置的数学模型

由图1可以看到，双轴推进的CODAD推进装置由柴油机、减速齿轮箱（其内有液力耦合器）、轴系及调距桨等主要部件组成，所以推进装置数学模型也应包括遥控系统的车钟、电子调速器、柴油机本体（含增压器）、减速齿轮箱、液力耦合器、轴系（摩擦力矩）、调距桨及船体等主要部件，这些部件特性都被包含在转动动力学方程和平动动力学方程中。

图1 CODAD联合动力装置示意图Fig.1 Sketch of a CODAD propulsion plant

转动动力学方程有两个：第1个方程包含柴油机力矩—液力耦合器泵轮力矩—所在轴段摩擦力矩以及转动惯性系统，用于求解柴油机所在高速轴的转速；第2个方程包含液力耦合器涡轮力矩—齿轮箱摩擦力矩—所在轴段摩擦力矩—调距桨力矩以及转动惯性系统，用于求解螺旋桨所在低速轴的转速。平动动力学方程只有一个，包含螺旋桨推力、船体阻力（包含舵、不工作推进轴拖桨等的附加阻力）和船体平动惯性系统，用于求解船航速。

由于该推进系统建模对象很多，每个部件的建模方法各不相同且都较为复杂，出于篇幅考虑，在此均不详细展开，可参看文献［8］。本文及文献［8］中数学建模所需的参数均来自设计部门和设备制造厂商，数学模型的数值预报结果也已经过实船试航数据校验，证明了数学模型可信、数值预报方法可行。

2 单轴工作制

一般情况下，现在的舰船推进装置都用主机遥控系统在驾驶室或集控室实施远程操纵控制。为保证各档车令，航速所需要的“转速—调距桨螺距”匹配关系（俗称“联控曲线”）都存储在控制计算机内。所以，在设计阶段要确定各工作制下各档车令的联控曲线，而联控曲线的确定则来源于“船—桨—机”匹配的基本原理，即在满足规范要求的前提下（如推进装置各部件安全可靠工作、主机留有必要功率储备），充分挖掘主机做功能力，使舰船快速性最优。

本文所研究的CODAD推进装置的正常工作制是指正常阻力状态下的四机双轴在设计螺距下的自由直线航行。图2给出了国外设计的某CODAD调距桨推进装置（双轴配置，每轴2台柴油机并车驱动）正常工作制时的联控曲线，从中可看到设计螺距与主机设计转速的匹配。

图2 国外某CODAD调距桨推进装置的联控曲线Fig.2 Overseas combined control curve of CODAD propulsion

单轴工作制是驱护舰的特殊工作制。单轴工作制时，工作的推进轴有单机工作和双机工作两种情况，不工作的推进轴有可能是自由旋转或锁轴两种状态之一。所以，单轴工作制时共有4种不同工况的选项。本文将仅选其中之一的“双机驱动、不工作轴自由旋转且为减小拖桨阻力而将螺距置于最大螺距位置”为例，用仿真计算来分析机—桨匹配情况，以确定机—桨联控曲线的设计原则。

如果将所选例子的单轴工作制继续采用正常工作制时的联控曲线，即各档车令转速下仍使用设计螺距，则运用仿真计算得到的螺旋桨特性曲线如图3所示。从中可以看到，在低、中转速时主机功率急剧增大，以致主机转速在750 r/min时就出现了主机超负荷现象。分析其原因，是因为此时的单轴工作制“机—桨”联控曲线的螺距对主机来说是“重载”了。通俗地说，即原先双轴推进所用的螺距继续用于单轴推进的主机，对于单轴推进的工作主机来说太大了，以致于主机负荷随转速急剧增大，在主机转速尚未到达设计转速1050 r/min就超负荷了。

图3 单轴双机、使用正常工况时联控曲线的螺旋桨特性曲线Fig.3 Propeller curve in mode of one shaft driven by two engines with normal combined control curve applied

要改变此时单轴工作制的重载状态，唯一的办法就是减小调距桨的螺距，重要的是减小至何值。根据文献［8］和文献［10］的研究结果、国外惯例及国军标的规定，提出了单机工作制联控曲线设计螺距的确定原则：主机在额定转速时，调距桨所选择的螺距值要保证主机发出的功率在加上功率储备值后等于主机最大持续功率（Maximum Continuous Ratings，MCR）。

该原则的优点是：主机做功能力得到充分发挥，舰船潜在快速性得以挖掘；按规范留下了必要的功率储备，保证了主机安全。基于该原则，通过仿真计算所得的螺旋桨特性曲线如图4所示。将图4与图3进行对比可以看出，图4的联控曲线使得主机能工作在更高转速并发出更大功率，因而舰船能获得更大的最高航速。

图4 单轴双机推进、“量身定制”的最优联控曲线所对应的螺旋桨特性曲线Fig.4 Propeller curve in mode of one shaft driven by two engines with special design combined control curve applied

如上所述，单轴工作制有4种工况：“工作轴双机驱动，不工作轴自由拖转”、“工作轴双机驱动，不工作轴锁轴”、“工作轴单机驱动，不工作轴自由拖转”、“工作轴单机驱动，不工作轴锁轴”。由于工作主机的数量不同，不工作螺旋桨的拖桨阻力不同，不同最高航速所需要的修正单轴推进偏航的舵角也不同，从而导致附加舵阻力不同，所以每一种工况下的工作主机所对应的联控曲线是不相同的，用仿真方法可以方便地确定这些联控曲线。经实船考核，这些联控曲线均有效，达到了仿真研究的目的。

3 三机工作制

四机双轴CODAD推进装置大多使用以下两种工作制：“双轴推进、每轴单机”（低、中航速使用）和“双轴推进、每轴双机”（高航速使用）。最初该项目的研究者在提出三机工作制时并不为多数人看好，认为在现实使用中不可能有三机工作制。事实上，在某新船一次试航中，有一台柴油机因发生大故障而无法使用，此时又需高速从试航海区行驶至某一目的地，唯一的办法就是使用三机工作制。试航人员试用了“双机驱动的推进轴转速高并且螺距大、单机驱动的推进轴转速低而螺距小”的工作制，结果出现了船尾部振动十分剧烈的异常现象。最后，试航人员选用了本项目研究人员早已提出的三机工作制联控曲线，结果得到了既高速航行又无尾部剧烈振动的航行效果。自此以后，三机工作制才被认识到是舰船推进装置使用中必须考虑的特殊工作制。

三机工作制的联控曲线（图5）也是运用仿真方法获取的，相应的联控曲线的设计原则类似于单轴工作制的情况：无论是单机驱动轴还是双机驱动轴，主机都工作在额定转速，每轴的调距桨螺距值保证在额定转速下发出的功率加上功率储备等于MCR；各车令时，3台主机的转速相同或等速率变速。

该设计原则的优点是：既充分发挥了主机做功能力，舰船快速性得以充分发挥，按规范又留有功率储备，保证了主机安全；3台主机转速相同，保证了最少的外界激励力频率，不易引起船体振动。同时，因为3台主机的工作转速相同，也方便了机电部门的值班管理。分析前述“双机驱动的推进轴转速高并且螺距大、单机驱动的推进轴转速低而螺距小”的工作制所导致的船尾剧烈振动的异常现象的原因，主要是两轴的推力不等、螺旋桨力矩不等，而且3台主机的转速也不等、两推进轴转速不等，后者导致干扰力频率异常丰富，和船体自振接近或一致时就会引起船体，即尾部的强烈共振。

图5 三机工作制所对应的每台机的螺旋桨特性曲线Fig.5 Propeller curve in mode of three engines operating with a special design combined control curve applied

4 结 论

基于“船—桨—机”匹配原理，运用经过校验的数学模型和仿真方法，研究了某CODAD联合动力装置单轴工作制（4种情况）和三机工作制的联控曲线，提出了联控曲线的一般设计原则：不论是单轴工作还是双轴工作，每一轴不论是单机驱动还是双机驱动，主机工作于额定转速时所选择的调距桨螺距值要保证主机在该转速下发出的功率加上功率储备正好等于最大持续功率MCR。这一原则既能保证主机做功能力的充分挖掘，使舰船有能力获得最大快速性，同时也可确保主机不超载而安全工作；各台工作主机的等速率变速和各档车令的等转速设置既能保证推进系统外界干扰力的频率最少，不易引起船体或轴系共振，也便于机电部门对主机的操控和管理（这是因为此时各主机的转速和负荷都是相同的，不必区分单轴还是双轴、单机还是双机）。该设计原则已用于某船的单轴工作制和三机工作制，并且经实船试航均已得到验证。本研究结果可为今后该类舰船推进装置联控曲线设计提供有益的参考。

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