一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法
本专利技术涉及可调桨领域，尤其是一种节能的船舶可调桨系统机桨匹配控制方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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＝VS/((1-ω)nD)KT＝R/(1-t)ρn2D4其中，J是螺旋桨进速系数，KT是螺旋桨总推力系数，VS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：PS＝PE/η0ηHηRηS其中，PS是主机功率，PE是船体有效功率，η0是敞水效率，ηH是船身效率，ηR是相对旋转效率，ηS是轴系传动效率，ηH、ηR和ηS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。本专利技术的有益技术效果是：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专利技术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VS，参考航速VS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VS通常是在该区间内等间距连续取值，也即依次取0、0+△，0+2△……Vmax,Vmax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VS，确定船舶在该参考航速VS下的船体有效功率PE和船舶阻力R，船体有效功率PE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VS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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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＝VS/((1-ω)nD)KT＝R/(1-t)ρn2D4其中，J是所述螺旋桨进速系数，KT是所述螺旋桨总推力系数，VS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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭昂，倪其军，郭卫杰，侯小军，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心中国船舶重工集团公司第七零二研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32