CN106604865A - 船舶动力系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于船舶的动力系统包括发动机以及可驱动地联接至该发动机的可控螺距推进器(14)。可控螺距推进器的速度与发动机的速度一起变化。控制单元(16)接收指示可控螺距推进器(14)所需的推力的推力命令值。控制单元(16)确定可控螺距推进器(14)的当前速度，以及计算产生根据在可控螺距推进器的当前速度下的推力命令值的推力的该可控螺距推进器(14)的螺距。该动力系统允许在可变化的速度下操作发动机，以允许在部分负载状况下降低发动机速度。

Description

船舶动力系统和方法

技术领域

本发明涉及用于船舶的动力系统，特别地，涉及包括发动机和一个或多个可控螺距推进器的动力系统，以及一种操作该系统的方法。

背景技术

船舶，例如，例如近海补给船，包括驱动一个或多个主螺旋桨的一个或多个燃烧发动机，用于船舶的推进。一个或多个主螺旋桨例如经由一个或多个驱动轴被机械地联接至一个或多个发动机。该一个或多个发动机以给定的速度旋转，导致一个或多个主螺旋桨相应的旋转。例如，船舶可包括可驱动地联接至一对主螺旋桨的一对柴油发动机。该柴油发动机以及主螺旋桨通常以恒定的速度操作。

为了改进船舶的可操纵性，在船舶的船体结构内可提供有所谓的隧道推进器(也称作为横向推进器)。特别地，隧道推进器系统包括例如在横向方向上延伸通过船舶的船体结构的船体段的通道(隧道)。倘若被激活时，隧道推进器系统的螺旋桨单元产生通过该通道的水射流。该水射流在船舶的右舷或左舷方向上离开该通道，且因而引起产生允许操纵船舶的转向力而无需向前后向后行驶。

本发明至少部分地旨在改进或克服现有系统的一个或多个方面。

发明内容

在本发明的一个方面，一种船舶动力系统包括配置成以变化的发动机速度操作的发动机、可驱动地联接至该发动机的可控螺距推进器，以及控制单元。该控制单元配置成接收推力命令值，确定可控螺距推进器的当前速度，以及基于可控螺距推进器的当前速度来计算该可控螺距推进器的螺距以产生根据该推力命令值的推力。

在本发明的另一方面，一种操作包括配置成以变化的发动机速度操作的发动机以及可驱动地联接至该发动机的可控螺距推进器的船舶动力系统的方法包括：接收推力命令值，确定可控螺距推进器的当前速度，以及基于可控螺距推进器的当前速度来计算该可控螺距推进器的螺距以产生根据该推力命令值的推力。

从以下说明和附图，本发明的其它特征和方面将变得显而易见。

附图说明

结合在本文中并组成说明书的一部分的附图示出了本发明的示意性实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1示出了船舶动力系统的示意图。

图2示意性地示出了在图1中示出的系统的可控螺距推进器的控制过程。

图3示意性地示出了在图1中示出的动力系统的可控螺距主螺旋桨的控制过程。

具体实施方式

以下是本发明的示意性实施例的详细说明。本文所描述的以及在附图中示出的示意性实施例意于教导本发明的原理，使得本领域技术人员能够在许多不同的环境以及针对许多不同的应用来实施和使用本发明。因此，该示意性实施例并不意于，且不应被视作为，专利保护范围的限制性描述。相反，专利保护的范围应当有所附权利要求书来限定。

本发明可部分地基于某些传统设计的实现，包括以恒定的速度运转的发动机和主螺旋桨，当发动机在低负载下运转时，可能发生低效率。当情况是这样时，主螺旋桨以低的螺距旋转，这属于远离于螺旋桨的设计状况的状况。倘若该系统可以变化的速度运转，则这将增加发动机和螺旋桨的效率。然而，倘若发动机还驱动提供动力至隧道推进器和船系统的轴带交流发电机，由该轴带交流发电机产生的AC动力的频率然后也将变化，需要供应有AC动力的负载能够处理该变化的频率。

在典型的近海补给船中，最大的电负载为在动态定位模式下使用的隧道推进器。根据本发明，倘若隧道推进器具有可控螺距螺旋桨，则通过以适当的方式控制隧道推进器的螺距可控制隧道推进器的在变化的速度下的推力。这允许从发动机到主螺旋桨到隧道推进器的整个动力系统作为单个系统以变化的速度操作。该速度可取决于整体动力需求以及，例如，天气状况或类似。

本发明还可部分地基于实现当发动机负载相对较低时减小发动机速度，可减少在部分负载状况下的燃料消耗，降低发动机和推进系统的磨损，以及还可降低噪声和振动。通过以适当的方式调整隧道推进器以及主螺旋桨的螺距可补偿较低的发动机速度。

在以下参考图1描述了一种示意性船舶动力系统。

图1示意性地示出了根据一示意性实施例的用于船舶的动力系统10。动力系统10包括一对发动机12A、12B。发动机12A、12B中的每个可以为内燃机，其配置成燃烧供应的气体和/或液态燃料，以产生机械输出。例如，每个发动机12A、12B可为柴油发动机、气体燃料发动机或配置成燃烧气体燃料和液体燃料(例如，柴油)的双燃料发动机。发动机12A、12B中的每个可为配置成以变化的速度旋转的速度可变的发动机。

动力系统10还包括经由相应的驱动轴19A、19B，例如齿轮机构(未示出)，被机械地连接至一对发动机12A、12B的一对主螺旋桨18A、18B。例如，每个主螺旋桨18A、18B可配置为可控螺距方位推进器。例如，使用包括螺距控制阀36(参见图3)可调整每个螺旋桨的叶片的螺距，这在以下将被更详细地描述。驱动轴19A、19B将发动机12A、12B的旋转传递至主螺旋桨18A、18B，以使得主螺旋桨18A、18B一与发动机12A、12B的速度成比例的速度旋转。通过调整螺旋桨的叶片的螺距可以调整由主螺旋桨18A、18B提供的推力。在以下，这将简单地被称作为“调整主螺旋桨的螺距”或，在以下描述的隧道推进器的情况中，为“调整隧道推进器的螺距”。

例如，通过操作员输入装置32来设定来自主螺旋桨18A、18B的期望的推力。操作员输入装置32可包括配置成由操作员来操作的控制杆、操纵杆等。操作员输入装置32的操作量被转换成推力命令值且被传递至控制单元16B。然后，将容易理解的是，在其它实施例中，推力命令值可由船舶的动态定位系统或类似控制系统来产生。如在图1中的虚线所示，控制单元16B被操作性地连接至发动机12A、12B和主螺旋桨18A、18B。将理解的是，在其它实施例中，控制单元16B可紧急你被连接至发动机12A、12B中的一个以及相应的主螺旋桨18A、18B中的一个。换句话说，针对每个发动机/轴线可提供独立的控制单元。

动力系统10还包括机械地连接至一对发动机12A、12B的一对交流发电机(即，发电机)。例如，交流发电机20A的输入可被机械地连接至发动机12A的飞轮，且交流发电机20B的输入可被机械地连接至发动机12B的飞轮。交流发电机20A、20B中的每个配置成从相关联的发动机12A、12B接收机械输出，并将该机械输出转换成AC电能。由交流发电机20A、20B中的每个产生的AC动力可被提供至与一对隧道推进器14A、14B中的一个相关联的电动机23(参见图2)。例如，隧道推进器14A、14B可被提供在船舶的船首处，且可产生水射流，导致产生有助于船舶的转向的转向力。

为了激活隧道推进器14A、14B，在交流发电机20A、20B与隧道推进器14A、14B的电动机之间连接有一对起动机22A、22B。如在图1中所示，起动机22A、22B与控制单元16A相操作性地连接。控制单元16A配置成发送起动命令至起动机22A、22B以起动隧道推进器14A、14B的电动机，以以一速度来旋转隧道推进器14A14B的螺旋桨，该速度由相关联的电动机的速度来确定。相关联的电动机的速度由从交流发电机20A、20B供应至电动机的AC动力的频率来确定。在这里，由交流发电机20A、20B供应的AC动力的频率与发动机12A、12B的速度成比例。因此，当发动机12A、12B的速度降低时，导致隧道推进器14A、14B的速度降低，即，隧道推进器的螺旋桨的旋转速度降低。

控制单元16A还被操作性地连接至操作员输入装置30。操作员输入装置30可包括多个输入装置，例如控制杆、操纵杆或类似物，用于单独地调整由隧道推进器14A、14B中的每个提供的推力。特别地，操作员输入装置30配置成根据需要来起动或停止隧道推进器14A、14B。再次将理解的是，使用船舶的动态定位系统还可来自动地控制隧道推进器。

尽管在图1中示出了两个控制单元16A、16B，很容易理解的是，控制单元16A、16B可被合并进单个控制单元16(例如，参见图2和图3)或控制系统，用于控制动力系统10的所有部件，特别地，控制发动机12A、12B，主螺旋桨18A、18B以及隧道推进器14A、14B。

动力系统10还包括配置成接收由交流发电机20A和/或20B输出的AC动力的可选的频率控制器24。频率控制器24配置成转换具有根据发动机12A、12B的可变频率的AC动力，以将该AC动力供应至一个或多个电力负载，该电力负载可能需要固定的频率。例如，电力负载26、27、28可以为船舶上的加热系统、泵、导航和舰桥系统以及其它辅助系统。

图2和图3示意性地示出了在图1的动力系统中执行的控制过程。图2示出了用于示意性推进器14的控制过程，且图3示出了用于示意性主螺旋桨18的控制过程。将很容易理解的是，尽管参考图2和图3描述了用于单个推进器14和单个主螺旋桨18的过程，该描述应用于在图1中示出的两个主螺旋桨18A、18B以及应用于在图1中示出的两个隧道推进器14A、14B。进一步，明显的是，在其它实施例中，多于两个主螺旋桨和/或隧道推进器可被提供，并可以以描述的方式被控制。进一步，推进器14并不限于隧道推进器，且可以为由两戒指发动机的交流发电机以所描述的方式提供动力的任何其它推进器。

如在图2中所示，控制单元16配置成从操作员输入装置30接收输入。从操作员输入装置30接收的输入指示所需的来自推进器14的推力。如先前所描述，推进器14包括螺旋桨15，该螺旋桨由电动机23驱动来旋转。推进器14为可控螺距推进器，即，螺旋桨15的叶片的螺距可被调整。特别地，包括螺距控制阀34的液压系统可被提供以调整推进器14的螺距。

电动机23从由发动机12驱动的交流发电机20(参见图3)接收AC动力。再者，将容易地理解的是，描述可应用于在图1中示出的发动机12A、12B和交流发电机20A、20B，且在其它实施例中可提供多于两个的发动机/交流发电机。电动机23和螺旋桨15的旋转速度，即推进器14的速度，由通过交流发电机20供应的AC动力的频率来确定。该频率反过来取决于发动机12的速度。

控制单元16配置成接收作为输入的推进器14的当前速度。使用例如邻近于推进器14的轴、在电动机23内或在推进器14的另一部件处设置的速度传感器来确定推进器14的当前速度，通过该速度传感器可获得该速度。可选地，基于供应至电动机23的AC动力的频率和/或其它参数，通过控制单元16可获得推进器14的速度。进一步，控制单元16配置成输出起动/停止命令至与推进器14相关联的起动器22，以及用于输出用于推进器14的螺距设置至螺距控制阀34。

当推进器14被激活时，供应至电动机23的AC动力的频率确定电动机23和推进器14的速度。因此，控制单元16配置成接收指示推进器14的当前速度的输入，以及用于计算推进器14的螺距，获得根据从操作员输入装置30接收的推力命令值是需要该螺距的。例如，一个或多个地图可储存在存储器中，该存储器可由控制单元16可存取。一个或多个地图可与接收的推力命令值、推进器14的速度和所需的螺距相关，且可被控制单元16使用来计算螺距。还可基于这些参数之间的一种或多种数学关系来计算该螺距。使用计算的螺距，控制单元16命令螺距控制阀34来调整推进器14的螺距，以使得获取根据推力命令值的推力。以这种方式，在推进器14的可变速度下可获取所需的推力。

将很容易地理解的是，包括螺距控制阀34的液压系统仅仅是用于调整推进器14的螺距的装置的实例，且可使用任何适当的配置来调整推进器的螺距。例如，可使用电力和/或磁力致动器来调整推进器14的螺距。

现在参考图3，示出了用于示意性主螺旋桨18的控制过程。

如在图3中所示，控制单元16配置成从操作员输入装置30接收指示从主螺旋桨18所需的推力的输入。进一步，控制单元16配置成将一速度命令值传递至发动机12，该速度命令值指示一速度，发动机12应当在该速度下操作。另外，控制单元16配置成接收作为输入的发动机12的实际速度。使用例如与发动机12的曲轴或另一部件相关联的速度传感器可确定发动机12的实际速度。控制单元16还配置成接收发动机负载，该发动机负载指示由于主螺旋桨18和交流发电机20产生的位于发动机12上的总负载。

进一步，控制单元16配置成将螺距命令值传递至与主螺旋桨18相关联的螺距控制阀36。由控制单元16输出的螺距命令值确定主螺旋桨18的螺距，即主螺旋桨18的螺旋桨单元21的叶片的螺距。

控制单元16配置成基于发动机12的当前发动机速度以及从操作员输入装置32接收的推力命令值来计算用于主螺旋桨18的所需螺距。

另外，控制单元16配置成例如通过从发动机12接收发动机负载信号来确定当前发动机速度下的发动机负载，并且根据该发动机负载来改变当前的发动机速度。特别地，控制单元16可配置成当发动机负载低于下限阈值(例如，当前发动机速度下的最大负载的20％)时来减小发动机速度。

同样地，控制单元16可配置成当发动机负载高于上限阈值(例如，当前发动机速度下的最大负载的90％)时来增大发动机速度。

在以上两种情况下，控制单元16可配置成例如根据用于发动机12的多个预定速度设置来以阶梯式的方式来改变发动机速度。另外或作为可选的，控制单元16可配置成基于发动机负载来连续地改变发动机速度。

将容易地理解的是，尽管具有相关联的成对的主螺旋桨18A、18B和隧道推进器14A、14B的一对发动机12A、12B，而在其它示意性实施例中，可提供具有单个主螺旋桨18的单个发动机12。以同样的方式，在其它示意性实施例中，可提供多于两个的发动机以及多于两个的主螺旋桨和/或隧道推进器。

工业实用性

在本文中公开的船舶动力系统可在船舶中应用，用于改进该系统的效率。特别地，本文公开的动力系统可导致在部分负载状况下的降低的燃料消耗，减少推进系统和发动机系统的磨损，以及降低由于在部分载荷状况下较低系统速度产生的噪声和振动。

以下参考图2和图3将描述所公开的动力系统10的示意性操作。

在正常负载状况下，动力系统10可在用于发动机12的默认速度设置下操作。因此，控制单元16将速度命令值设置成默认速度值，并将该默认速度值传递至发动机12，以使得发动机12以该默认速度进行操作。发动机12驱动交流发电机20以将发动机12的机械输出转换成具有相应于该默认速度的频率的AC动力。例如，交流发电机20可配置成以使得当发动机12在该默认速度下操作时，交流发电机20输出的AC动力具有60Hz的频率。具有60Hz的频率的AC动力被供应至推进器14的电动机23，以在一速度下旋转推进器14，该速度由60Hz的频率以及电动机23的配置来确定。当操作员输入装置30被操作以激活推进器14时，控制单元16基于推进器14的当前速度产生推力命令值，该当前速度相应于默认发动机速度以及由交流发电机20供应的60Hz的频率。

同时，在默认速度下操作的发动机12经由驱动轴19来驱动主螺旋桨18，以使其在与发动机的速度成比例的速度下旋转，且控制单元16根据从操作员输入装置32获取的推力命令值来设置主螺旋桨18的螺距，使用从发动机12获取的默认速度作为基础来用于计算主螺旋桨18的螺距。

控制单元16监视发动机12的发动机负载。例如，当确定出发动机负载低于下限阈值(例如，当前速度(例如，默认速度)下发动机最大负载的20％)时，控制单元发送速度命令值至发动机12以降低发动机12的速度。例如，使用多个预定速度设置，以阶梯式的方式可完成发动机12的速度的降低。可选地或另外地，控制单元16可配置成基于发动机载荷与下限阈值之间的差异来连续地降低发动机12的速度。

作为对从控制单元16接收的速度命令值的响应，发动机12的速度被降低。因此，交流发电机20以较低的速度被驱动，以使得由交流发电机20输出的AC动力的频率将降低，例如，与发动机12的速度的降低成比例。

因此，推进器14的速度还将降低。控制单元16监视推进器14的速度并基于推进器14的当前速度以及从操作员输入装置30获取的推力命令值来计算用于螺距控制阀34的适当的螺距命令值。因此，由推力命令值指示的期望的推力在推进器14的降低的速度下产生。

以同样地方式，控制单元16配置成基于发动机12的降低的发动机速度以及来自操作员输入装置32的推力命令值来设置主螺旋桨18的螺距。因此，根据取药，通过增加主螺旋桨18的螺距，来获取在发动机12的较低速度下的用于推进船舶的期望的推力。

因此，根据以上控制系统和方法，发动机12、主螺旋桨18和隧道推进器14的速度可被降低为一个，以当考虑到由于交流发电机20输出的较低的频率而产生的推进器14地降低的速度时来增加发动机12和主螺旋桨18两者的效率。

例如，在发动机载荷增加至当前速度下发动机最大载荷的约90％的情况下，控制单元16发动速度命令值至发动机12以增加发动机速度。因此，还将增加由交流发电机20输出的AC动力的频率，因而增加推进器14的速度。以同样的方式，还将增加主螺旋桨18的速度。然后，根据分别由操作员输入装置30和32输出的相应的推力命令值，控制单元16将使用推进器14和主螺旋桨18的当前速度来计算用于推进器14和主螺旋桨18的新的螺距命令值。如在速度降低的情况下，控制单元16可配置成以阶梯式的方式和/或连续地增加发动机12的速度。

动力系统10可配置成以使得速度的变换被限制于特定的范围，例如，以使得由交流发电机20输出的AC动力的频率为位于预定范围之内，例如在30Hz与60Hz之间或在50Hz与60Hz之间。然而，将容易地理解的是，基于动力系统10的独立部件(例如发动机12、交流发电机20、主螺旋桨18和类似部件)的配置，可使用不同的值或间隔。

尽管在本文中已经描述了本发明的优选实施例，但在不脱离以下权利要求书的范围的情况下，可包含改进和修改。

Claims (15)

1.一种船舶动力系统(10)，其包括：

发动机(12、12A、12B)，其配置成以变化的发动机速度操作；

可控螺距推进器(14、14A、14B)，其能够驱动地联接至所述发动机(12)；以及

控制单元(16、16A、16B)，其配置成：

接收推力命令值；

确定所述可控螺距推进器(14、14A、14B)的当前速度；以及

基于所述可控螺距推进器的所述当前速度，计算所述可控螺距推进器(14、14A、14B)的螺距，以产生根据所述推力命令值的推力。

2.如权利要求1所述的船舶动力系统，其中，所述控制单元(16、16A、16B)进一步配置成：

确定所述发动机(12、12A、12B)的当前发动机速度；

确定在所述当前发动机速度下的发动机负载；以及

根据所述发动机负载来改变所述当前发动机速度。

3.如权利要求2所述的船舶动力系统，其中，所述控制单元配置成当所述发动机负载为低于下限阈值时减小所述发动机速度。

4.如权利要求2或3所述的船舶动力系统，其中，所述控制单元配置成当所述发动机负载高于上限阈值时增大所述发动机速度。

5.如权利要求2至4中任一项所述的船舶动力系统，其中，所述控制单元配置成逐步地改变所述发动机速度。

6.如权利要求2至5中任一项所述的船舶动力系统，其中，所述控制单元配置成根据用于所述发动机(12、12A、12B)的多个预定速度设置来改变所述发动机速度。

7.如权利要求2至6中任一项所述的船舶动力系统，其中，所述控制单元配置成基于所述发动机负载连续地改变所述发动机速度。

8.如权利要求2至7中任一项所述的船舶动力系统，其进一步包括：

可控螺距主螺旋桨(18、18A、18B)，其能够驱动地联接至所述发动机(12、12A、12B)，

其中，所述控制单元(16、16A、16B)进一步配置成：

接收用于所述可控螺距主螺旋桨(18、18A、18B)的推力命令；以及

基于所述推力命令和所述发动机(12、12A、12B)的所述当前发动机速度来计算用于所述可控螺距主螺旋桨(18、18A、18B)的螺距命令。

9.如权利要求1至8中任一项所述的船舶动力系统，其进一步包括：

交流发电机(20、20A、20B)，其配置成由所述发动机(12、12A、12B)驱动以供应AC动力，所述AC动力的频率随所述发动机的速度(12、12A、12B)变化；以及

电动机(23)，其配置成利用由所述交流发电机(20、20A、20B)供应的所述AC动力来驱动所述可控螺距推进器(14、14A、14B)。

10.如权利要求9所述的船舶动力系统，其进一步包括频率控制器(24)，所述频率控制器连接至所述交流发电机(20、20A、20B)并且配置成转换由所述交流发电机(20、20A、20B)供应的所述AC动力并将所述转换的AC动力供应至一个或多个电力负载(26、27、28)。

11.如权利要求1至10中任一项所述的船舶动力系统，其进一步包括螺距控制阀(34)，所述螺距控制阀(34)操作性地联接至所述控制单元(16、16A、16B)，其中，所述控制单元(16、16A、16B)进一步配置成输出阀控制命令至所述螺距控制阀(34)以设置所述可控螺距推进器(14、14A、14B)的螺距。

12.如权利要求1至11中任一项所述的船舶动力系统，其进一步包括操作员输入装置(30)，所述操作员输入装置配置成接收操作员输入以及输出根据所述接收的操作员输入的所述推力命令值。

13.如权利要求1至12中任一项所述的船舶动力系统，其包括：

多个发动机(12A、12B)；以及

多个可控螺距推进器(14A、14B)，所述多个可控螺距推进器(14A、14B)中的每一者都能够驱动地联接至所述多个发动机(12A、12B)中相应的一个，

其中，所述控制单元(16、16A、16B)配置成：

确定所述多个可控螺距推进器(14A、14B)中的每一者的当前速度；以及

计算所述多个可控螺距推进器(14A、14B)中的每一者的螺距以产生根据所述推力命令值的推力。

14.一种操作船舶动力系统的方法，所述船舶动力系统包括配置成在变化的速度下操作的发动机(12)和能够驱动地联接至所述发动机(12)的可控螺距推进器(14)，所述方法包括：

接收推力命令值；

确定所述可控螺距推进器(14)的当前速度；以及

基于所述可控螺距推进器的所述当前速度，计算所述可控螺距推进器(14)的螺距，以产生根据所述推力命令值的推力。

15.如权利要求14所述的方法，其包括：

确定所述发动机(12)的当前发动机速度；

确定在所述当前发动机速度下的发动机负载；以及

根据所述发动机负载来改变所述发动机速度。