调距桨推进装置机桨优化匹配研究

调距桨作为船舶主推进动力装置的重要组成部分，在实船中得到了广泛的应用。

STCW78／95公约‘1978年海员培训、发证和值班标准国际公约(1995年修正)》已将调距桨船舶动力装置列为高级轮机员的必需培训项目。

然而，国内船员对于调距桨的操纵与管理还不熟悉。

从整体上看，国内调距桨的研究，无论是控制技术还是硬件方面都与先进国家有较大的差距。

文章就国内外几种主要调距桨推进系统的结构特点、工作原理、控制方式和特性进行分析比较，并具体介绍了目前调距桨发展状况及发展方向。

考虑到调距桨应用范围的广泛性、推进系统的复杂性、控制方式的多样性，结合实船操纵管理，本文首先具体分析了船舶调距桨推进系统的工作原理以及遥控系统的一些特点，然后针对联合控制模式这种应用广泛的调距桨遥控方式进行研究。

研究了以减少耗油量为目标的机桨匹配问题，其中包括以“图谱法"确定螺旋桨的最高效率曲线，结合主机推进特性曲线分析耗油率对耗油量的影响。

通过对自动负荷控制方式的分析，解决联合控制模式中负荷调定以及如何消除和降低由于随机干扰(如海浪等导致船舶阻力状态的瞬变)可能导致的机桨失配的问题。

第1章绪论1．1课题背景随着船舶动力装置的大型化、自动化、复杂化程度不断提高，对船舶推进装置的性能提出了更高的要求。

首先从常规能源角度来看，石油作为一种不可再生能源，伴随着人类近两百年的使用，已经日趋短缺，原油价格不断上涨，极大地影响到船舶营运者的利益，客观上要求我们提高推进性能；其次，一些特种船舶，包括军舰，因其操纵性能及节能等特殊要求，也对船舶推进型式提出了更高的要求。

所有这些，都要求对传统的船舶推进装置进行革新。

螺旋桨推进已成为船舶推进的主要形式。

大多数商船都配置一个螺旋桨位子船尾部中心平面上。

螺旋桨的最大效率可达70％左右，损失的30％可分成三部分t约lO％是由于动量损失，10％是由于摩擦，其余10％是由于螺旋桨尾流转动。

改变推进器的形式可以减少多种不同的损失。

例如，使用固定桨叶螺旋桨不可能在所有螺旋桨载荷状态下利用全部功率。

而使用可调螺距螺旋桨时，这个闯题即可消除。

用这种型式螺旋桨，任凭改变螺旋桨载荷(例如，没有拖曳自由航行状态、拖曳、重拖曳、破冰状态或船体、气候或水深条件的变化)，主机功率总是可以被全部吸收。

因此，使用调距桨的船舶可以提高船舶整个营运期间的经济效益，同时满足一些船舶(在自由航行条件下想要有高速度和在拖曳或系泊试验条件下想要有大的拉力的船舶)的特殊要求.1．2国内外的研究现状1．2．1国外的研究现状调距桨作为一种特殊的螺旋桨在国外出现已经有几十年的历史了，随着船舶制造技术以及其它相关技术的发展，其生产技术随之不断发展进步。

但调距桨及轴系由于要安装螺距调节机构及遥控系统，因此其构造及毅部结构较复杂，相应的设计制造工艺也受到液压等相关行业发展情况的制约，因而在各国的发展不太均衡。

欧洲一些国家在这方面的研究工作开展得较早，不少大公司都有较为成熟的调距桨遥控系统及其配套产品，如KAMEW A、SCHOTEIL、WARTSILA、MAN-B&W等都有多年生产调距桨及其遥控系统的历史，其产品在航运市场上占有较大的份额，他们在机械、液压机构结构方面的特点基本相同，但具体的遥控系统却各具特点。

现今比较有名的生产厂家及其产品有：德国MAN-B&W公司研制的Alphatronic遥控系统，用于控制与二冲程或四冲程柴油机相连的调距桨推进系统；瑞典Berg公司的ERC3000调距桨控制系统，基于PLC微处理器技术，适用于各种船型的调距桨；丹麦伦索(Lyngso)公司的PCS2100推进控制系统，用于对连接到二冲程低速柴油机或四冲程中速柴油机的调距桨推进系统进行遥控；荷兰John Crane-Lips公司的LIPSTRONICR⑧系列遥控系统，用于遥控装备调距桨的侧推器、方位角推进器以及主推进装置；挪威Kongsberg(即原来的Norcontr01)公司的AutoChief'／型遥控系统，用于对与低速柴油机相连的调距桨系统进行遥控M。

1．2．2国内的研究现状我国于八十年代中期开始引进国外的调距桨生产技术：苏州船用机械厂引进了KAMEW A(现已被ROLLS ROYCE公司并购)公司的调距桨技术，生产的系列产品如KL40／3。

ST调距桨电液遥控系统取得了船级社的认可，并经过了实船运行的考验。

SCHOTTEL公司也在我国成立了肖特尔推进器有限公司，专门从事调距桨的研制生产。

但国内从事调距桨研究的科研机构及人员较少：八十年代中期，大连海事大学的郭晨教授曾经做过基于单片机的调距桨遥控系统的仿真研究；九十年代中期，上海交通大学曾在建立三轴燃气轮机及调距桨推进装置的实时仿真模型的基础上，采用MIRAGE并行数字仿真工作站进行了全数字实时仿真[71；九十年代末期，华东船舶工业学院的科研人员采用MC68705R3单片机开发出了调距桨螺距控制系统，并进行了实时仿真，但离实船的推广应用还有一定的距离。

总体上来讲，由于起步较晚，加上我国在此方面的工作开展得较少，调距桨生产技术基本上都是引进国外的专利，配套的控制系统则基本上是从国外引进技术生产或干脆直接采用国外产品，因此相对于国外特别是北欧等先进国家而言显得较为落后：现有的调距桨控制系统大多采用非CPU的芯片甚至分立元器件构成，仅相当于国外60、70年代的水平；个别工程船采用计算机及PLC控制技术，在控制结构、功能、性能等方面接近或达到国外90年代先进水平；采用计算机控制技术实现调距桨螺距闭环控制也已取得一定进展陆11】。

随着现代船舶向高速化、大型化、高度自动化方向发展，采用调距桨的优点显得更为突出，在其使用范围日益广泛的今天，我国调距桨的发展现状显然与此不相称。

1．2．3教学实习船“育鲲"随着可调距桨推进装置的广泛应用，第一艘由我国自行开发设计、目前世界上最先进的专用远洋教学实习船一大连海事大学新建教学实习船“育鲲"轮就采用了MAN公司的VBS 系列调距桨，控制系统是MAN的Alphatronic2000。

实习船对于培养学生如何管理和操纵可调距桨推进系统建立了一个实践平台。

1．3课题的提出调距桨具有如此多的优点，以至其使用越来越为广泛。

其使用的范围已经从最初的军舰扩展到商船、民用船舶，使用的船型包括集装箱船、游艇、班轮、拖轮以及消防船、破冰船、挖泥船等各式各样的工程船舶。

仅以渤海地区黄金水道为例：往返于大连——烟台的客轮中有多艘采用调距桨推进装置，如“棒槌岛"、“海洋岛’’等建造于九十年代的船舶都是如此；烟台救捞局的多艘拖轮也装备了John-Crane LipS(已于2002年被Wartsila公司并购)生产的LIPSTRONIC@调距桨遥控系统。

但是由于我国的调距桨生产使用以及维护保养的整体水平不高，加之船员素质参差不齐以及对其不太熟悉，采用调距桨的推进系统经常出现各种故障。

通过对大连地区部分修船厂的调研也证明了这一点：装备调距桨的主推进动力装置是船上较容易出现故障的部分，而很多故障的出现都是由于不熟悉及操作不当造成的。

“育鲲”实际航行过程中，由于可调螺旋桨复杂的结构和液压系统，在可调距桨多种操作模式中，管理人员更多的使用定速模式，并没有完全将调距桨的优点发挥出来。

与此相对照的是：现阶段的轮机工程专业教学中，并没有对配备调距桨的推进装置及其遥控系统予以足够的重视，其相关的知识介绍时有疏漏之处，而且对其近期技术上的发展动态也没有涉及，由此造成船员对之不太熟悉，继而造成此类推进装置维护保养的整体水平不高。

国际海事组织IMO在《海员培训、发证和值班标准公约》中明确规定轮机员必须经过仿真模拟器的培训，但现有的模拟器对船舶主机、辅机、电站等重要船舶部分强调较多，而对用途广泛的调距桨遥控系统却涉及很少.鉴于以上诸多因素，本论文在对国内外所采用的主要几种调距桨推进系统的结构特点、工作原理、控制方式和特性进行认真研究、分析比较，并把握其最新发展动态的基础上，结合实地调研获取的资料，加上专用实习船“育鲲"轮丰富的软、硬件资源，提出如下课题：结合搜集到的实船资料，在对调距桨推进系统进行总体研究的基础上，重点对船舶机动航行时调距桨联合控制系统进行分析研究，以期将研究结果用于大连海事大学教学实习船“育鲲轮"航行操作管理与实际的培训教学。

1．4论文的主要内容本文以可调距桨联合控制系统为研究对象，结合大连海事大学教学实习船“育鲲"轮，重点介绍了机一桨联合控制模式的原理。

分析和计算了在联合控制模式下，以减少耗油量为目标的机桨匹配问题。

其中包括以“图谱法’’确定螺旋桨的最高效率曲线，结合主机推进特性曲线分析耗油率对耗油量的影响。

通过对自动负荷控制方式的分析，解决联合控制模式中负荷调定以及在如何消除和降低由于随机干扰(如海浪等导致船舶阻力状态的瞬变)可能导致的机桨失配的问题。

论文最终针对“育鲲"轮可调距桨联合控制系统进行实训项目设计。

1．5论文的结构第l章简述了调距桨广泛应用和进一步发展的必然性并就当前可调距桨在国内外研究的现状进行总体分析，在此基础上提出了本论文的选题。

第2章分析了调距桨推进系统的主要构成、主要控制方式、基本的运行特征，强调调距桨控制系统的重要作用。

第3章分析了以减少耗油量为目的的联合控制模式的原理，从理论上研究了联合控制系统中的机桨匹配问题。

第4章分析了调距桨联合控制系统在实习船“育鲲”上的具体应用。

针对“育鲲”轮的调距桨推进系统进行实训项目设计。

第5章结合实际以及大量的参考文献，指出了论文所做的工作以及进一步需要研究的方向和任务。

第2章调距桨推进系统分析调距桨船舶推进系统与定距桨船舶推进系统具有相同的动力装置组成，包括发动机设备、后传动装置、螺旋桨、船体等部分，不同在于调距桨船舶拥有可调距桨和其特殊的控制系统。

2．1调距桨工作原理在理想螺旋桨的理论中【1}141，忽略离心力及尾流收缩的影响，可得到水流相对于叶元体的速度三角形和叶元体上的作用力，如图2．1所示。

在正常的情况下，叶元体进速为匕，转速为1"／，半径r处叶切面的螺距角为秒，水动力角为夕。

根据机翼理论，流体的合速度∥与弦线成口角流人叶元体时，叶元体将产生垂直于合速度形的升力三，同时，也将产生翼型阻力D。

其合力可分解为平行于螺旋桨轴线的推力丁，推动船舶前进，以及垂直于螺旋桨轴线的旋转阻力F。

I≧，＼卅知确图2．1叶元体速度三角形Fig．2．1 Velocity triangle of blade clement bedy当船舶由于某种原因而减速时，叶元体上进速变为吃，若保持主机转速不变，叶切面的螺距角不变，来流攻角则加大为口’，旋转阻力亦随之增加，因而只能降低转速来增加水动力角，从而达到新的平衡，此时螺旋桨处于重载状态，如图2．2所示。