船舶非设计工况的机桨匹配研究

摘要

随着设计制造与控制信息技术在船舶领域的快速发展，世界著名螺旋桨制造商LIPS公司被芬兰的W(a)rtsil(a)柴油机厂商收购，世界主要柴油机制造商MAN B&W公司拥有螺旋桨设计和生产部门，这标志着船舶推进系统集成化逐渐成为船舶设计的必然趋势。“船机桨”匹配作为船舶推进系统集成的核心，对提高船舶营运的经济性和安全性至关重要。但是“船机桨”匹配一般基于船舶设计工况点，设计的主机以及螺旋桨参数在设计工况下运行最优，而船舶经常运行在非设计工况下，“船机桨”匹配性能以及主机最佳运行性能较难获得。因此本文在开展设计工况下的“船机桨”匹配研究的同时，还进行了非设计工况下主机-螺旋桨匹配特性的研究，确保船舶在非设计工况下能够满足船舶的设计与运行要求。 本文基于Matlab/GUI环境建立了推进系统集成化设计平台，该平台具有船阻计算模块、船舶-主机匹配模块（初步匹配）、主机-螺旋桨匹配模块（终结匹配）以及螺旋桨校核模块。在船舶-主机匹配模块中研究了影响低速机设计工况点选取的三种因素;主机-螺旋桨匹配模块包含了传统回归拟合方法以及遗传算法的两种匹配方法，其中遗传算法作为船机桨匹配优化方法，将其与传统方法进行了比较。为了研究非设计工况下的船机桨匹配性能，本文基于MATLAB/Simulink环境下建立了非设计工况的推进系统仿真模型，并对平台基于传统回归拟合方法匹配的螺旋桨、基于遗传算法匹配的螺旋桨以及实际船舶采用的螺旋桨分别进行非设计工况仿真分析。 本文根据38800DWT散货船的数据，利用匹配平台进行计算，其计算结果验证了平台的准确性，同时表明了基于遗传算法的匹配方法相比传统的回归拟合方法而言，能够匹配更大效率的螺旋桨，且计算流程相对简单。根据非设计工况推进系统仿真模型，针对设计工况、轻载工况以及重载工况三种工况进行仿真，仿真结果表明:非设计工况下实船采用的设计桨的机桨配合特性最优，其次是遗传算法匹配的螺旋桨，最后是传统方法匹配的螺旋桨。同时，传统方法匹配的螺旋桨在非设计工况下无法运行在主机限制线内，说明只根据设计工况进行匹配设计，会导致非设计工况下机桨匹配工作出现超出主机运行限制区域的问题，因此考虑设计工况点与非设计工况结合的机桨匹配具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2船机桨匹配国内外发展现状

1．2．2主机-螺旋桨匹配设计研究现状

1．2．3不同工况下船机桨匹配的研究现状

1．3本文主要工作

第2章船舶推进系统匹配仿真研究

2．1船舶阻力计算模块

2．1．1船舶阻力特性

2．1．2基于Holtrop-Menner法的船舶阻力模块搭建

2．2船舶-主机匹配模块

2．2．1船用柴油机工作特性

2．2．2船舶-主机匹配原理

2．2．3船舶-主机匹配模块的建立

2．3主机-螺旋桨匹配模块

2．3．1船舶螺旋桨图谱设计

2．3．2基于传统回归拟合方法的主机-螺旋桨匹配原理

2．3．3基于遗传算法的主机-螺旋桨匹配原理

2．3．4主机-螺旋桨匹配模块的建立

2．4．1空泡校核

2．4．2强度校核

2．5船机桨匹配平台验证

2．5．1船舶阻力计算模块验证

2．5．2基于传统方法的主机-螺旋桨匹配设计模块验证

2．5．3基于遗传算法的主机-螺旋桨匹配设计模块验证

2．5．4螺旋桨校核模块验证

2．6本章小结

第3章低速机设计工况点选取影响因素研究

3．1低速机减额输出特性

3．2主机选型方法

3．3设计工况点选取影响因素研究

3．3．1船舶运行储备对设计工况点选取的影响

3．2．2轴带发电机等负载对设计工况点选取的影响

3．3．3燃油消耗率对设计工况点选取的影响

3．4船机桨匹配平台设计工况点选取模块

3．4．1设计工况点选取模块的建立

3．4．2设计工况点选取模块的验证

3．4．3船舶运行储备对船舶实际航行的影响

3．5本章小结

第4章船舶运行非设计工况仿真建模

4．1柴油机仿真模型

4．2螺旋桨模型

4．2．1 B系列螺旋桨模型

4．2．2设计螺旋桨模型

4．3船舶阻力模型

4．3．1轻载工况的船舶阻力

4．3．2重载工况的船舶阻力

4．4船体平动与轴系转动动力学模型

4．4．1船舶运动动平衡模型

4．4．2轴系转动平衡模型

4．5空泡校核模型

4．6船舶非设计工况推进系统整体仿真模型

4．7本章小结

第5章船舶运行非设计工况的机桨匹配研究

5．1设计工况下的螺旋桨匹配仿真研究

5．2轻载工况下螺旋桨匹配仿真研究

5．2．1实际螺旋桨的匹配仿真研究

5．2．2基于传统方法匹配的螺旋桨仿真结果分析

5．2．3基于遗传算法计算的螺旋桨仿真结果分析

5．2．4轻载工况下三种螺旋桨之间的对比分析

5．3重载工况下的螺旋桨匹配仿真研究

5．3．1实际螺旋桨的仿真结果分析

5．3．2基于传统方法匹配的螺旋桨仿真结果分析

5．3．3基于遗传算法匹配的螺旋桨仿真结果分析

5．3．4重载工况下的三种螺旋桨对比分析

5．4非设计工况下机桨工作特性研究

5．4．1设计螺旋桨的推进特性曲线研究

5．4．2基于传统方法匹配的螺旋桨推进特性曲线研究

5．4．3基于遗传算法匹配的螺旋桨推进特性曲线研究

5．4．4三种螺旋桨的机桨工作特性对比

5．5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录