CN109334934B - 一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法，涉及可调桨领域，该方法以主机燃油耗油量为目标值，充分考虑了主机的外负荷特性、万有特性和桨的效率特性，以及船机桨匹配的特点，用图谱分析和数值分析相结合的方法，寻找在不同目标航速下的机桨匹配工况点，可以保证推进系统在最低耗油状态下工作，在保证可调桨系统正常工作的情况下达到节能效果，与传统的可调桨控制模式相比，使用该可调桨系统控制方法控制时节油特性极为明显。

Description

一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法

技术领域

本发明涉及可调桨领域，尤其是一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法。

背景技术

可调桨系统由于具有技术可靠性、使用维护稳定性和价格优势，已经被广泛应用于公务船、调查船和货船等主流船舶上，现有的可调桨系统控制方式主要有以下两种：

1、独立控制方式：主机转速和螺旋桨螺距通过各自的操纵手柄分别进行独立的控制，其过程控制方法较为简单，燃油消耗量很高。

2、传统的联合控制方式：在额定航速的50％以内对船速进行控制时，主机转速稳定在主机齿轮箱合排转速附近，通过调节螺旋桨螺距实现船速和航向的改变；在50％的额定航速至额定航速范围对船速进行控制时，将可调桨固定在最大螺距比，通过调节主机转速实现船速和航向的改变。控制方式较为智能，但是目前的联合控制方式都不是以推进系统耗油量为目标值的，因此燃油消耗量往往也不低。

由此可见，目前可调桨系统的控制方式都不是以推进系统耗油量为目标的，而推进系统是船舶航行的第一动力，其燃油消耗占船舶燃料消耗的绝大部分，在船运行业不景气，自然能源日益匮乏的国际大背景下，若能最大限度的降低燃油消耗、降低大气污染，将是一件利国利民的大事。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法，该控制方法可以保证推进系统在最低耗油状态下工作，在保证船舶可调桨系统正常工作的情况下达到节能效果。

本发明的技术方案如下：

一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法，该方法包括：

确定船舶在航行过程中的各个参考航速，参考航速包括船舶的最小航速和最大航速之间的至少两个航速；

对于每个参考航速，确定船舶在参考航速下的船体有效功率和船舶阻力；

确定船舶以参考航速航行时的各个参考桨转速，参考桨转速包括船舶的最小稳定桨转速与最大稳定桨转速之间的至少两个桨转速，最小稳定桨转速是主机转速为最低稳定转速时对应的桨转速，最大稳定桨转速是主机转速为额定转速时对应的桨转速；

对于参考航速对应的每个参考桨转速，根据参考航速、参考航速下的船舶阻力以及参考桨转速计算得到参考桨转速对应的螺距比和敞水效率；

根据参考桨转速对应的敞水效率和参考航速下的船体有效功率计算得到主机功率，并根据主机功率和参考桨转速计算得到在参考航速下，参考桨转速对应的单位小时耗油量；

根据各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定船舶可调桨系统的机桨匹配关系，机桨匹配关系包括船舶以各个航速航行时，使得船舶的单位小时耗油量最小的桨转速及其对应的螺距比；

在船舶的航行过程中，控制船舶可调桨系统按照机桨匹配关系工作。

其进一步的技术方案为，根据参考航速、参考航速下的船舶阻力以及参考桨转速计算得到参考桨转速对应的螺距比和敞水效率，包括：

根据参考航速和参考桨转速计算螺旋桨进速系数，根据船舶阻力和参考桨转速计算螺旋桨总推力系数；

根据螺旋桨进速系数和螺旋桨总推力系数确定参考桨转速对应的螺距比和敞水效率。

其进一步的技术方案为，根据参考航速和参考桨转速计算螺旋桨进速系数，根据船舶阻力和参考桨转速计算螺旋桨总推力系数，包括计算：

J＝V_S/((1-ω)nD)

K_T＝R/(1-t)ρn²D⁴

其中，J是螺旋桨进速系数，K_T是螺旋桨总推力系数，V_S是参考航速，n是参考桨转速，R是船舶阻力，ω是伴流分数，t是推力减额，D是螺旋桨直径，ρ是水密度，ω、t、D和ρ均为参数。

其进一步的技术方案为，根据螺旋桨进速系数和螺旋桨总推力系数确定参考桨转速对应的螺距比和敞水效率，包括：

根据螺旋桨图谱特性曲线中螺旋桨进速系数、螺旋桨总推力系数及螺距比的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的螺距比，确定与参考航速和参考桨转速对应的螺距比；

根据螺旋桨图谱特性曲线中螺旋桨进速系数、螺距比及敞水效率的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的敞水效率，确定与参考航速和参考桨转速对应的敞水效率。

其进一步的技术方案为，根据参考桨转速对应的敞水效率和参考航速下的船体有效功率计算得到主机功率，包括计算：

P_S＝P_E/η₀η_Hη_Rη_S

其中，P_S是主机功率，P_E是船体有效功率，η₀是敞水效率，η_H是船身效率，η_R是相对旋转效率，η_S是轴系传动效率，η_H、η_R和η_S是船舶的固有参数。

其进一步的技术方案为，根据主机功率和参考桨转速计算得到在参考航速下，参考桨转速对应的单位小时耗油量，包括：

根据主机功率和参考桨转速确定主推进系统耗油率；

确定主推进系统耗油率与主机功率的乘积为参考航速下，参考桨转速对应的单位小时耗油量。

其进一步的技术方案为，根据主机功率和参考桨转速确定主推进系统耗油率，包括：

确定参考桨转速与齿轮箱速比的乘积为参考桨转速对应的主机转速；

根据主机万有特性曲线中主机功率、主机转速和主推进系统耗油率的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的主推进系统耗油率，确定与参考航速以及参考桨转速对应的主机转速所对应的主推进系统耗油率。

其进一步的技术方案为，根据各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定船舶的机桨匹配关系包括：

根据前进工况的各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定前进工况对应的机桨匹配关系；

和/或，根据倒航工况的各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定倒航工况对应的机桨匹配关系。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法，该方法以主机燃油耗油量为目标值，充分考虑了主机的外负荷特性、万有特性和桨的效率特性，以及船机桨匹配的特点，用图谱分析和数值分析相结合的方法，寻找在不同目标航速下的机桨匹配工况点，可以保证推进系统在最低耗油状态下工作，在保证可调桨系统正常工作的情况下达到节能效果，与传统的可调桨控制模式相比，使用该可调桨系统控制方法控制时节油特性极为明显。

附图说明

图1是本申请公开的节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法，该方法包括以下步骤，请参考图1：

步骤S01，确定船舶在航行过程中的各个参考航速V_S，参考航速V_S包括船舶的最小航速和最大航速之间的至少两个航速，最小航速通常为0，最大航速是船舶的固定属性值，为了方便控制和计算，参考航速V_S通常是在该区间内等间距连续取值，也即依次取0、0+△，0+2△……V_max,V_max即表示船舶的最大航速，为了使后续结果更精确，递增量△应尽可能小。

步骤S02，对于每个参考航速V_S，确定船舶在该参考航速V_S下的船体有效功率P_E和船舶阻力R，船体有效功率P_E和船舶阻力R通常是由模型阻力试验或软件分析得到的，是本领域比较常规的做法，本申请不作赘述。

步骤S03，确定船舶以该参考航速航行V_S时的各个参考桨转速n，参考桨转速n包括船舶的最小稳定桨转速与最大稳定桨转速之间的至少两个桨转速，最小稳定桨转速是主机转速为最低稳定转速时对应的桨转速，最大稳定桨转速是主机转速为额定转速时对应的桨转速，主机转速与桨转速之间的对应关系为：主机转速＝桨转速*齿轮箱速比，而主机的最低稳定转速、额定转速以及齿轮箱速比都是固定参数，因此最小稳定桨转速与最大稳定桨转速即可以计算得到。

与参考航速的确定方式类似的，参考桨转速n通常在最小稳定桨转速与最大稳定桨转速之间等间距连续取值，递增量也应当尽可能小。

步骤S04，对于参考航速V_S对应的每个参考桨转速n，根据参考航速V_S、参考航速V_S下的船舶阻力R以及参考桨转速n计算得到参考桨转速对应的螺距比HD和敞水效率η₀，具体的，该步骤包括如下几个步骤：

1、根据参考航速V_S和参考桨转速n计算螺旋桨进速系数J，根据船舶阻力R和参考桨转速n计算螺旋桨总推力系数K_T，计算公式如下：

J＝V_S/((1-ω)nD)

K_T＝R/(1-t)ρn²D⁴

其中，ω是伴流分数，t是推力减额，D是螺旋桨直径，ρ是水密度，ω、t、D和ρ均为已知参数，其中，D和ρ为固有参数，而ω和t可以利用现有的计算公式计算得到，比如以普通单桨单舵型船为例，单桨船的方形系数通常为C_b＝0.66，而根据泰勒公式可知，单桨船的伴流分数ω＝0.5C_b-0.05＝0.28；根据商赫公式，推力减额t＝kw＝1.05×0.28＝0.29，k为参数。

2、根据螺旋桨进速系数J和螺旋桨总推力系数K_T确定参考桨转速n对应的螺距比H/D和敞水效率η₀。具体做法是：

(1)、根据螺旋桨图谱特性曲线中螺旋桨进速系数J、螺旋桨总推力系数K_T及螺距比H/D的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对拟合关系进行插值，由于螺旋桨进速系数J和螺旋桨总推力系数K_T都是基于航速和桨转速计算得到的，因此插值后可以得到任一航速以及任一桨转速对应的螺距比，根据对应关系就能确定与参考航速V_S和参考桨转速n对应的螺距比H/D。

(2)、根据螺旋桨图谱特性曲线中螺旋桨进速系数J、螺距比H/D及敞水效率η₀的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的敞水效率，方法与上述类似，然后就能确定与参考航速V_S和参考桨转速n对应的敞水效率η₀。

步骤S05，根据参考桨转速n对应的敞水效率η₀和参考航速V_S下的船体有效功率P_E计算得到主机功率P_S，计算公式如下：

P_S＝P_E/η₀η_Hη_Rη_S

其中η_H是船身效率，η_R是相对旋转效率，η_S是轴系传动效率，η_H、η_R和η_S都是船舶的固有参数，可以按照现有计算公式计算得到。其中，普通单桨船的η_H可以直接取为1，也可以按照如下方式计算η_H＝(1-t)/(1-ω)＝0.72/0.71＝1.01。普通单桨船的η_R通常直接取为1。主机通过齿轮箱带动螺旋桨旋转，常规情况下，由于轴系的摩擦损耗致使其轴系效率为0.98，由于减速齿轮箱的摩擦损耗致使其轴系效率为0.96，因此轴系传动效率η_S＝0.97×0.96＝0.94。

步骤S06，根据主机功率P_S和参考桨转速n计算得到在参考航速V_S下，参考桨转速n对应的单位小时耗油量Gt，包括如下步骤：

1、根据主机功率P_S和参考桨转速n确定主推进系统耗油率g_e，具体为：确定参考桨转速n与齿轮箱速比i的乘积为参考桨转速对应的主机转速N。根据主机万有特性曲线中主机功率P_S、主机转速N和主推进系统耗油率g_e的数值关系建立三者之间的拟合关系，由于主机功率P_S和主机转速N都是基于航速和桨转速的，因此通过插值法对拟合关系进行插值即可得到任一航速以及任一桨转速对应的主推进系统耗油率，确定与参考航速V_S以及参考桨转速n对应的主机转速N所对应的主推进系统耗油率g_e。

2、确定主推进系统耗油率g_e与主机功率P_S的乘积为参考航速V_S下，参考桨转速n对应的单位小时耗油量Gt，也即Gt＝g_e·P_S。

步骤S07，根据各个参考航速V_S下，各个参考桨转速n对应的单位小时耗油量Gt确定船舶的可调桨系统的机桨匹配关系，具体做法为：

(1)、针对某一个设定的参考航速V_S，不断调整桨转速至各个参考桨转速n，对于每个参考桨转速n都重复执行上述步骤S04-步骤S06得到对应的单位小时耗油量Gt，迭代比较并通过插值法进行插值拟合，从而得到任一桨转速对应的单位小时耗油量Gt，记录在该参考航速V_S下，单位小时耗油量最小时的桨转速n以及该桨转速n所对应的螺距比H/D。

(2)、不断调整航速至各个参考航速V_S，重复执行上述步骤S02-步骤S06以及步骤S07中的上述步骤(1)，从而确定在各个参考航速V_S下，单位小时耗油量最小时的桨转速以及该桨转速所对应的螺距比，通过插值法进行插值拟合，即可得到任一航速下，使得单位小时耗油量最小时的桨转速n以及该桨转速所对应的螺距比H/D，也即得到该船舶的可调桨系统基于可调桨推进系统燃油耗油量最低的机桨匹配关系。

步骤S08，在船舶的航行过程中，控制船舶可调桨系统按照该机桨匹配关系工作。在实际应用时，可以将螺距比H/D与对应的桨转速n标定在主推进系统遥控系统的控制手柄上，并独立设定该组合模式，即为“节油模式”的机桨联合控制模式。

进一步的，本发明提供的这种可调桨系统控制方法除了可以应用在前进工况中，还可以应用在倒航工况中，控制方法都如上所述。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法，其特征在于，所述方法包括：

确定船舶在航行过程中的各个参考航速，所述参考航速包括所述船舶的最小航速和最大航速之间的至少两个航速；

对于每个参考航速，确定所述船舶在所述参考航速下的船体有效功率和船舶阻力；

确定所述船舶以所述参考航速航行时的各个参考桨转速，所述参考桨转速包括所述船舶的最小稳定桨转速与最大稳定桨转速之间的至少两个桨转速，所述最小稳定桨转速是主机转速为最低稳定转速时对应的桨转速，所述最大稳定桨转速是主机转速为额定转速时对应的桨转速；

对于所述参考航速对应的每个参考桨转速，根据所述参考航速、所述参考航速下的船舶阻力以及所述参考桨转速计算得到所述参考桨转速对应的螺距比和敞水效率；

根据所述参考桨转速对应的敞水效率和所述参考航速下的船体有效功率计算得到主机功率，并根据所述主机功率和所述参考桨转速计算得到在所述参考航速下，所述参考桨转速对应的单位小时耗油量；

根据各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定所述船舶可调桨系统的机桨匹配关系，所述机桨匹配关系包括所述船舶以各个航速航行时，使得所述船舶的单位小时耗油量最小的桨转速及其对应的螺距比；

在所述船舶的航行过程中，控制所述船舶可调桨系统按照所述机桨匹配关系工作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述参考航速、所述参考航速下的船舶阻力以及所述参考桨转速计算得到所述参考桨转速对应的螺距比和敞水效率，包括：

根据所述参考航速和所述参考桨转速计算螺旋桨进速系数，根据所述船舶阻力和所述参考桨转速计算螺旋桨总推力系数；

根据所述螺旋桨进速系数和所述螺旋桨总推力系数确定所述参考桨转速对应的螺距比和敞水效率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述参考航速和所述参考桨转速计算螺旋桨进速系数，根据所述船舶阻力和所述参考桨转速计算螺旋桨总推力系数，包括计算：

J＝V_S/((1-ω)nD)

K_T＝R/(1-t)ρn²D⁴

其中，J是所述螺旋桨进速系数，K_T是所述螺旋桨总推力系数，V_S是所述参考航速，n是所述参考桨转速，R是所述船舶阻力，ω是伴流分数，t是推力减额，D是螺旋桨直径，ρ是水密度，ω、t、D和ρ均为参数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述螺旋桨进速系数和所述螺旋桨总推力系数确定所述参考桨转速对应的螺距比和敞水效率，包括：

根据螺旋桨图谱特性曲线中螺旋桨进速系数、螺旋桨总推力系数及螺距比的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对所述拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的螺距比，确定与所述参考航速和所述参考桨转速对应的螺距比；

根据螺旋桨图谱特性曲线中螺旋桨进速系数、螺距比及敞水效率的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对所述拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的敞水效率，确定与所述参考航速和所述参考桨转速对应的敞水效率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述参考桨转速对应的敞水效率和所述参考航速下的船体有效功率计算得到主机功率，包括计算：

P_S＝P_E/η₀η_Hη_Rη_S

其中，P_S是所述主机功率，P_E是所述船体有效功率，η₀是所述敞水效率，η_H是船身效率，η_R是相对旋转效率，η_S是轴系传动效率，η_H、η_R和η_S是船舶的固有参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述主机功率和所述参考桨转速计算得到在所述参考航速下，所述参考桨转速对应的单位小时耗油量，包括：

根据所述主机功率和所述参考桨转速确定主推进系统耗油率；

确定所述主推进系统耗油率与所述主机功率的乘积为所述参考航速下，所述参考桨转速对应的单位小时耗油量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述主机功率和所述参考桨转速确定主推进系统耗油率，包括：

确定所述参考桨转速与齿轮箱速比的乘积为所述参考桨转速对应的主机转速；

根据主机万有特性曲线中主机功率、主机转速和主推进系统耗油率的数值关系建立三者之间的拟合关系，通过插值法对所述拟合关系进行插值得到任一航速以及任一桨转速对应的主推进系统耗油率，确定与所述参考航速以及所述参考桨转速对应的主机转速所对应的主推进系统耗油率。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定所述船舶的机桨匹配关系包括：

根据前进工况的各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定所述前进工况对应的机桨匹配关系；

和/或，根据倒航工况的各个参考航速下，各个参考桨转速对应的单位小时耗油量确定所述倒航工况对应的机桨匹配关系。