船舶喷水推进系统数学建模及仿真研究
- 格式：pdf
- 大小：403.67 KB
- 文档页数：6
式中 m 为船舶总质量 u 为回转过程中沿船首 尾方向的分速度 ν为回转过程中垂直于船首尾方向的 分速度 r 为船舶回转运动的半径 IZ 为船舶总质量对 通过其重心的坐标轴的转艏惯性矩 X 和 Y 分别为作 用于船舶的水动力合力沿船舶首尾方向 垂直船舶首 尾方向的分量 N 为作用于船舶的水动力合力对通过 船舶重心的坐标轴的合力矩. 1.5 船舶喷水推进系统总体仿真模型及验证 在构建上述喷水推进系统各主要组成部件和船体 运动的数学模型后 采用在系统仿真领域最常用的
13
Matlab/Simulink 仿真工具箱分别建立了各子系统的仿 真模型 并依据喷水推进的工作原理对各子系统仿真
R 最终构建了完整的船舶喷水推进系统 仿真模型 如图 1 所示.
R Ts
+
M
船体子系统 a 1 s 积分
Vs 4 增益 1
Mp T
Out1 Out2
依据参考文献[2]和[5] 推进水泵所能提供的压头 Hp 可在水泵模型实验数据的基础上由下面的二次表达式 获得. HP = ( N P 2 N P0 2 2 N ) a( ) Q + b( P 0 )Q + c N P0 N P NP 4
模型和压力波模型
式中 Hp 为给定推进水泵转速 Hp0 为实验时的 参考推进水泵转速 a, b, c 为待定常数.令 Hs Hp 联 立式 3 式 4 求解 即可解出推进水泵的流量 Q 再由式 2 解出推力 T 并利用下面的公式解出推进 水泵的扭矩 Qp. Q p = 60 ρ gQH / 2π N Pη pη rηm 5 式中 H 为喷水推进泵压头 ηp 为推进水泵效率
In1 In2
Vs Np
船舶惯性
喷水子系统 Mp Md Mf f(u) 摩擦力矩 In1 In2 In3 Out2 齿轮箱 Out1 Np Nd
Nreg Nd 曲线
In1 In2
gc Out1
In1 In2 Out1 柴油机 Nd
调速器
图 1 船舶喷水推进系统整体仿真模型
要通过仿真来研究系统特性 首先必须保证所建 立的仿真模型能准确反映研究对象的本质特征 以保 证仿真结果真实可信 真正发挥其预测性能和指导系 统设计的作用.本文将所构建仿真模型的稳态仿真结 果与负责该型船舶动力系统设计的国内某研究所的相 关计算结果进行了分析比较 比较结果是各参数的相 对误差都小于 3% 从而证明了本文所构建的模型具有 较好的可信度.
0 引言
船舶喷水推进技术与螺旋桨推进技术有着几乎同 样久远的发展历史.然而 由于喷水推进采用的是不同 于螺旋桨推进的 船体管道加推进水泵 特有方式 其部件间相互关系比较复杂 使得人们对喷水推进技 术的认识远远不及螺旋桨推进技术深入 由于工业发 展水平的限制 很长时间内都不具备生产高速发动机 和高效率水泵的能力 这使喷水推进技术在船舶推进 方面的应用远不及螺旋桨推进技术.但是 与传统的螺 旋桨推进相比 船舶喷水推进在 30kn 以上的高航速工 况下具有抗空泡能力强 推进效率较高 振动噪声低
1 船舶喷水推进系统的数学建模
舰船喷水推进系统数学建模与仿真研究
男 讲师 在职博士生 主要从事舰船动力装置总体优化设计及轮机自动化研究.
本文所研究的喷水推进系统由 4 套推进装置组 成 每套推进装置又分别由 1 台涡轮相继增压柴油机 1 台减速齿轮箱 1 套 KaMeWa 公司某型喷水推进泵 装置及相应的轴系元部件组成.在构建该喷水推进系 统的数学模型时 首先对柴油机 轴系及齿轮箱 喷 水推进泵等系统各主要组成部件和船体分别进行数学 建模 然后将各分模型有机连接起来 构建出完整的 船舶喷水推进系统总体数学模型. 1.1 柴油机模型 柴油机模型 根据建模的原理 复杂程度 应用范围的不同 柴油机建模方法大致可以分为四类 即包括分段或分 区线性化在内的线性化模型 Linear Model 非线性模型 Quasi-steady Model Filling-and-emptying Model Wave-action Model . 本文在构建柴油机的数学模型时采用的是在船舶 推进装置动态性能仿真中通常应用的准稳态建模方法. 由于该建模方法已有许多文献论述 限于篇幅 本文 对船舶柴油机准稳态数学模型的建立不再详细介绍 读者可查阅参考文献[1-4]. 1.2 轴系及减速齿轮箱模型 在船舶喷水推进系统中 柴油机和喷水推进泵通 过轴系及减速齿轮箱进行物理连接.由相关动力学知 识可知 轴系及减速齿轮箱的数学模型可由下面的数 学表达式进行描述. Qd 1i − Q p − Q f = J dw dt 1 准稳态 容积法 也叫充排
Mathematical modeling and simulation of marine water-jet propulsion system
KONG Qing-fu, WU Jia-ming, ZENG Fan-ming
(College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan, 430033, China)
曲线的交点决定.为求解推进水泵的流量 Q 一方面 依据参考文献[5]和[6] 推进系统所需要的压头 Hs 可 表示为流量 Q 的函数 V2 Q2 Hs = − (1 − k ) a + ∆h 2 2g 2 gη N A j 3
式中 ηN 为喷嘴效率 k 为进流管道的损失系数
∆h 为喷水推进泵轴线高于水平面的高度 另一方面
2 船舶喷水推进系统的动态仿真
通过仿真分析 可对船舶喷水推进系统在各种动 态工况下的柴油机 推进水泵工作状况以及船舶航速 状况进行研究 从而为正确设定喷水推进系统的某些 关键控制参数提供指导 使得动态工况下船舶喷水推 进系统能在安全可靠工作的前提下获得最佳的机动性 性能.下面从保证喷水推进泵安全工作的角度出发 用 所构建的船舶喷水推进系统仿真模型 重点对稳态工 况 2 机 2 泵工作制下的主机最高允许转速 高速工况 下主机最高允许加速速率和船舶回转工况时的最高允 许初始航速进行仿真分析 并依据仿真结果提出相应 的合理设定值建议. 2.1 喷水推进泵穴蚀及工作区域分类 与螺旋桨类似 在船舶低航速,而同时喷水推进泵 高转速的工况下 会导致喷水推进泵内产生穴蚀.穴蚀 的产生使推进泵出现流量 扬程和效率下降及轴功率 上升等现象 此时喷水推进泵的工况恶化 振动剧烈 严重时甚至无法运转.为避免喷水推进泵内穴蚀的产 生 各喷水推进泵生产厂家都对各自产品规定了不同
的工作区域 图 2 为 KaMeWa 公司提供的某型喷水推 进泵工作区域图.图 2 包括 3 个工作区域 其中 1 区是 无限制区域 也是推荐工作区域 2 区和 3 区是使用 限制区域 一般仅允许紧急情况下短时间使用 2 区 为 500h/a 使用限制区域 3 区为 50h/a 使用限制区域. 通常 在正常工况下 要求喷水推进泵不在 2 区和 3 区内工作.
收稿日期 2005-04-15 修回日期 2005-09-06 基金项目 海军工程大学 2003 年度科研基金项目 E311 作者简介 孔庆福 197312
适应变工况能力强 附体阻力小及操纵性能优异等独 特的优点.随着对船舶航速要求的不断提高 喷水推进 技术越来越受到人们的关注 对船舶喷水推进技术的 研究也越来越得到人们的重视. 本文通过对船舶喷水推进系统的数学建模和仿真 分析 重点从保证喷水推进泵的工作安全性角度出发 对主机 喷水推进泵的动态工况特性以及船舶的操纵 性能进行分析 并依据分析结果对推进系统一些关键 的系统控制参数进行正确设定.
SHIP ENGINEERING Vol.28 No.2 2006
船 舶 工 程 总第 28 卷 2006 年第 2 期
船舶喷水推进系统数学建模及仿真研究
孔庆福 吴家明 曾凡明
海军工程大学 船舶与动力学院 武汉 430033
摘 要 在船舶喷水推进系统中 喷水推进装置控制系统参数设定正确与否将直接影响喷水推进泵 的工作安全性．文章依据喷水推进系统的工作原理建立了适用于系统动态工况仿真的船舶喷水推进系统 数学模型 从避免喷水推进泵在工作过程中进入使用限制区域的角度出发 重点对推进系统中主机与喷 水推进泵的工作匹配关系进行了分析 并通过仿真研究对喷水推进系统某些关键控制参数的正确设定方 法进行了具体分析． 关键词 船舶 船舶喷水推进系统 喷水推进泵 数学建模 仿真 中图分类号 U664.34 文献标识码 A 文章编号 1000-6982 (2006) 02-0012-05
ηr 为推进水泵相对旋转效率 ηm 为系统的机械效率. 1.4 船体直线运动及回转运动数学模型 船体直线运动及回转运动数学模型 船体的直线运动数学模型可由下面的运动学方程 表示. dv ( M S + M SAD ) s = TP − TS 6 dt 式中 Ms 为船体总质量 MSAD 为船体的附加水质 量 Tp 为推进水泵提供的总推力 TS 为船体需要的推 力 可由下式进行描述. 7 TS = R /(1 − t ) 式中 R 为船体阻力 t 为推力减额系数. 依据参考文献[7] 船舶的回转运动数学模型可由 下面的运动学方程组描述. − vr ) = X m(u + ur ) = Y 8 m(v I r z= N
Abstract: In a marine water-jet propulsion system, whether the setting of system’s control parameters is correct will directly influent the working safety of water-jet pump. According to the working principle of marine water-jet propulsion system, this paper presents a mathematical model of water-jet propulsion system for the simulation of system dynamic working conditions. This paper gives a key analysis on the matching relationship between the main engine and water-jet pump of the propulsion system, from the aspect of preventing the water-jet pump from operating in the limited operating area of its operating curves. Furthermore, the methods of setting some certain key control parameters of water-jet propulsion system correctly are also analyzed in detail by means of simulation. Key words: ship; marine water-jet propulsion system; water-jet pump; mathematical modeling; simulation
13
Matlab/Simulink 仿真工具箱分别建立了各子系统的仿 真模型 并依据喷水推进的工作原理对各子系统仿真
R 最终构建了完整的船舶喷水推进系统 仿真模型 如图 1 所示.
R Ts
+
M
船体子系统 a 1 s 积分
Vs 4 增益 1
Mp T
Out1 Out2
依据参考文献[2]和[5] 推进水泵所能提供的压头 Hp 可在水泵模型实验数据的基础上由下面的二次表达式 获得. HP = ( N P 2 N P0 2 2 N ) a( ) Q + b( P 0 )Q + c N P0 N P NP 4
模型和压力波模型
式中 Hp 为给定推进水泵转速 Hp0 为实验时的 参考推进水泵转速 a, b, c 为待定常数.令 Hs Hp 联 立式 3 式 4 求解 即可解出推进水泵的流量 Q 再由式 2 解出推力 T 并利用下面的公式解出推进 水泵的扭矩 Qp. Q p = 60 ρ gQH / 2π N Pη pη rηm 5 式中 H 为喷水推进泵压头 ηp 为推进水泵效率
In1 In2
Vs Np
船舶惯性
喷水子系统 Mp Md Mf f(u) 摩擦力矩 In1 In2 In3 Out2 齿轮箱 Out1 Np Nd
Nreg Nd 曲线
In1 In2
gc Out1
In1 In2 Out1 柴油机 Nd
调速器
图 1 船舶喷水推进系统整体仿真模型
要通过仿真来研究系统特性 首先必须保证所建 立的仿真模型能准确反映研究对象的本质特征 以保 证仿真结果真实可信 真正发挥其预测性能和指导系 统设计的作用.本文将所构建仿真模型的稳态仿真结 果与负责该型船舶动力系统设计的国内某研究所的相 关计算结果进行了分析比较 比较结果是各参数的相 对误差都小于 3% 从而证明了本文所构建的模型具有 较好的可信度.
0 引言
船舶喷水推进技术与螺旋桨推进技术有着几乎同 样久远的发展历史.然而 由于喷水推进采用的是不同 于螺旋桨推进的 船体管道加推进水泵 特有方式 其部件间相互关系比较复杂 使得人们对喷水推进技 术的认识远远不及螺旋桨推进技术深入 由于工业发 展水平的限制 很长时间内都不具备生产高速发动机 和高效率水泵的能力 这使喷水推进技术在船舶推进 方面的应用远不及螺旋桨推进技术.但是 与传统的螺 旋桨推进相比 船舶喷水推进在 30kn 以上的高航速工 况下具有抗空泡能力强 推进效率较高 振动噪声低
1 船舶喷水推进系统的数学建模
舰船喷水推进系统数学建模与仿真研究
男 讲师 在职博士生 主要从事舰船动力装置总体优化设计及轮机自动化研究.
本文所研究的喷水推进系统由 4 套推进装置组 成 每套推进装置又分别由 1 台涡轮相继增压柴油机 1 台减速齿轮箱 1 套 KaMeWa 公司某型喷水推进泵 装置及相应的轴系元部件组成.在构建该喷水推进系 统的数学模型时 首先对柴油机 轴系及齿轮箱 喷 水推进泵等系统各主要组成部件和船体分别进行数学 建模 然后将各分模型有机连接起来 构建出完整的 船舶喷水推进系统总体数学模型. 1.1 柴油机模型 柴油机模型 根据建模的原理 复杂程度 应用范围的不同 柴油机建模方法大致可以分为四类 即包括分段或分 区线性化在内的线性化模型 Linear Model 非线性模型 Quasi-steady Model Filling-and-emptying Model Wave-action Model . 本文在构建柴油机的数学模型时采用的是在船舶 推进装置动态性能仿真中通常应用的准稳态建模方法. 由于该建模方法已有许多文献论述 限于篇幅 本文 对船舶柴油机准稳态数学模型的建立不再详细介绍 读者可查阅参考文献[1-4]. 1.2 轴系及减速齿轮箱模型 在船舶喷水推进系统中 柴油机和喷水推进泵通 过轴系及减速齿轮箱进行物理连接.由相关动力学知 识可知 轴系及减速齿轮箱的数学模型可由下面的数 学表达式进行描述. Qd 1i − Q p − Q f = J dw dt 1 准稳态 容积法 也叫充排
Mathematical modeling and simulation of marine water-jet propulsion system
KONG Qing-fu, WU Jia-ming, ZENG Fan-ming
(College of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan, 430033, China)
曲线的交点决定.为求解推进水泵的流量 Q 一方面 依据参考文献[5]和[6] 推进系统所需要的压头 Hs 可 表示为流量 Q 的函数 V2 Q2 Hs = − (1 − k ) a + ∆h 2 2g 2 gη N A j 3
式中 ηN 为喷嘴效率 k 为进流管道的损失系数
∆h 为喷水推进泵轴线高于水平面的高度 另一方面
2 船舶喷水推进系统的动态仿真
通过仿真分析 可对船舶喷水推进系统在各种动 态工况下的柴油机 推进水泵工作状况以及船舶航速 状况进行研究 从而为正确设定喷水推进系统的某些 关键控制参数提供指导 使得动态工况下船舶喷水推 进系统能在安全可靠工作的前提下获得最佳的机动性 性能.下面从保证喷水推进泵安全工作的角度出发 用 所构建的船舶喷水推进系统仿真模型 重点对稳态工 况 2 机 2 泵工作制下的主机最高允许转速 高速工况 下主机最高允许加速速率和船舶回转工况时的最高允 许初始航速进行仿真分析 并依据仿真结果提出相应 的合理设定值建议. 2.1 喷水推进泵穴蚀及工作区域分类 与螺旋桨类似 在船舶低航速,而同时喷水推进泵 高转速的工况下 会导致喷水推进泵内产生穴蚀.穴蚀 的产生使推进泵出现流量 扬程和效率下降及轴功率 上升等现象 此时喷水推进泵的工况恶化 振动剧烈 严重时甚至无法运转.为避免喷水推进泵内穴蚀的产 生 各喷水推进泵生产厂家都对各自产品规定了不同
的工作区域 图 2 为 KaMeWa 公司提供的某型喷水推 进泵工作区域图.图 2 包括 3 个工作区域 其中 1 区是 无限制区域 也是推荐工作区域 2 区和 3 区是使用 限制区域 一般仅允许紧急情况下短时间使用 2 区 为 500h/a 使用限制区域 3 区为 50h/a 使用限制区域. 通常 在正常工况下 要求喷水推进泵不在 2 区和 3 区内工作.
收稿日期 2005-04-15 修回日期 2005-09-06 基金项目 海军工程大学 2003 年度科研基金项目 E311 作者简介 孔庆福 197312
适应变工况能力强 附体阻力小及操纵性能优异等独 特的优点.随着对船舶航速要求的不断提高 喷水推进 技术越来越受到人们的关注 对船舶喷水推进技术的 研究也越来越得到人们的重视. 本文通过对船舶喷水推进系统的数学建模和仿真 分析 重点从保证喷水推进泵的工作安全性角度出发 对主机 喷水推进泵的动态工况特性以及船舶的操纵 性能进行分析 并依据分析结果对推进系统一些关键 的系统控制参数进行正确设定.
SHIP ENGINEERING Vol.28 No.2 2006
船 舶 工 程 总第 28 卷 2006 年第 2 期
船舶喷水推进系统数学建模及仿真研究
孔庆福 吴家明 曾凡明
海军工程大学 船舶与动力学院 武汉 430033
摘 要 在船舶喷水推进系统中 喷水推进装置控制系统参数设定正确与否将直接影响喷水推进泵 的工作安全性．文章依据喷水推进系统的工作原理建立了适用于系统动态工况仿真的船舶喷水推进系统 数学模型 从避免喷水推进泵在工作过程中进入使用限制区域的角度出发 重点对推进系统中主机与喷 水推进泵的工作匹配关系进行了分析 并通过仿真研究对喷水推进系统某些关键控制参数的正确设定方 法进行了具体分析． 关键词 船舶 船舶喷水推进系统 喷水推进泵 数学建模 仿真 中图分类号 U664.34 文献标识码 A 文章编号 1000-6982 (2006) 02-0012-05
ηr 为推进水泵相对旋转效率 ηm 为系统的机械效率. 1.4 船体直线运动及回转运动数学模型 船体直线运动及回转运动数学模型 船体的直线运动数学模型可由下面的运动学方程 表示. dv ( M S + M SAD ) s = TP − TS 6 dt 式中 Ms 为船体总质量 MSAD 为船体的附加水质 量 Tp 为推进水泵提供的总推力 TS 为船体需要的推 力 可由下式进行描述. 7 TS = R /(1 − t ) 式中 R 为船体阻力 t 为推力减额系数. 依据参考文献[7] 船舶的回转运动数学模型可由 下面的运动学方程组描述. − vr ) = X m(u + ur ) = Y 8 m(v I r z= N
Abstract: In a marine water-jet propulsion system, whether the setting of system’s control parameters is correct will directly influent the working safety of water-jet pump. According to the working principle of marine water-jet propulsion system, this paper presents a mathematical model of water-jet propulsion system for the simulation of system dynamic working conditions. This paper gives a key analysis on the matching relationship between the main engine and water-jet pump of the propulsion system, from the aspect of preventing the water-jet pump from operating in the limited operating area of its operating curves. Furthermore, the methods of setting some certain key control parameters of water-jet propulsion system correctly are also analyzed in detail by means of simulation. Key words: ship; marine water-jet propulsion system; water-jet pump; mathematical modeling; simulation
