船舶主推进系统机桨匹配设计工况的优化选择.doc

船舶主推进系统机桨匹配设计工况的优化选择詹志刚喻英摘要将航行工况和机桨匹配同时考虑,,分析了其不同的应用情况,并应用于实船修理中,取得了明显的效益。关键词工况螺旋桨优选法机和一定要素的螺旋桨,性、,(RVS间的关系特性。对于多工况船舶,选择适当的航行工况作为机桨匹配的设计工况,本身也是一个课题。因船舶航行工况选择的不当,或因实际的航行工况发生了变化,导致船机桨系统不匹配,影响系统的经济性和可靠性,这样的例子并不少见。本文将设计工况、螺旋桨和主机作为一个整体,在设计螺旋桨时把“航行工况”作为一个变量考虑,由此得到了设计工况的优化选择模型。下面就此进行探讨。1 优化模型以获得最高的平均螺旋桨效率作为选择设计工况的目标。待求参数X=x1x2x3x4x=iDH/DAE/AOnp式中:i———航行工况(即一定的R—VS曲线;D———桨径;H/D———螺距比;AE/AO———盘面比;np———桨的转速。在考虑各工况下的螺旋桨敞水效率的同时,还作者介绍:詹志刚现工作于武汉理工大学动力与环境学院动力装置系,讲师;喻英现工作于湖北船厂技术科,工程师。收稿日期:2000-04-12。不失一般性,设船舶共有n个航行工况,以其中的第i个工况作为桨的设计工况,各工况下的效率分别为ηi1、ηi2、ηi3、…、ηin,对应的工作时间分别为ti1、ti2、ti3、…、tin。总工作时间为:ti=ρnj=1tij以第i个工况作为桨设计工况时的平均桨效率为: ηim=(ηi1・ti1+ηi2・ti2+ηi3・ti3+…+ηin・tin/ti=ρnj=1ηij・tij/ti(1于是有:ηopm=maxi∈(1~nηim=ρnj=1ηij・tij/ti(2约束条件为:R=(1-t・KT・ρ・n2p・D4τC′-τC≥0Dmax-D≥0(H/Dmax-(H/D≥0(AE/AOmax-(AE/AO≥0np-(npmin≥0式中:t———推力减额;KT———桨的推力系数;ρ———水的密度;τC′———Burrill商船空泡限界线上的值;τC———平均推力系数;Dmax,(H/Dmax,(AE/AOmax,(npmin———分别为D,H/D,AE/AO,np的最大值或最小值。(2式表示以最大的平均螺旋桨效率作为选择设计工况的目标函数。如果以完成一个工作循环主推进装置耗油率B最低作为选择设计工况的依据,n个工况所对应的主机功率和耗油率分别为:Nei1,Nei2,Nei3,…,Nein及gei1,gei2,gei3,…,gein。那么就有: 12 JS 2000-5-03 江苏船舶JIANGSUSHIP 第17卷第5期 Bi=Nei1・gei1・ti1+Nei2・gei2・ti2+Nei3・gei3・ti3+…+Nein・gein・tin=ρnj=1Neij・geij・tij(3又 Neij=EHPij/(ηC・ηr・ηh・ηij(4式中:EHPij———船体有效功率;ηC———轴系效率;ηr———相对旋转效率;ηh———船身效率。所以 Bi=ρnj=1EHPij・geij・tij/(ηC・ηr・ηh・ηij(5耗油量最低的目标函数为:mini∈(1~nBi=ρnj=1EHPij・geij・tij/(ηC・ηr・ηh・η约束条件和(2式大致相同。以(6,将使整。,必须同时考虑船舶的种类、航区和主机的工作状况等因素。2 应用实例长江某轮船公司推船队中有1/4船舶航行于荻港和马鞍山航线,每条推船有两台6135CaB柴油机作主机,减速齿轮箱速比为21814,推动4艘300t的驳船,运载量1400t,上水空载,下水满载,功率利用系数7189t/kW,运距97km,货物流向稳定,空载和重载航行时间比为16∶9。经测试,该船队满载、空载、自航工况下轴功率和螺旋桨转速的关系如图1所示。图1中:AD———允许长期工作的最高转速限制线;BC———允许长期工作的最低转速限制线;CD———允许长期工作的最低负荷限制线;AB———允许长期工作的最高负荷限制线。1#、2#、3#线分别是满载、空载和自航时实测的轴功率和转速间的关系曲线。几个关键工况点的运行参数很容易得到,如表1所示。表1 不同工况的运行参数工况螺旋桨转速(r/min主机功率(kW满载42068空载44572自航49580(主机额定工况53390 由表1可见,不论满载、空载或是自航,当主机转速达到额定速度1500r/min时,都将超负荷运转,这就意味着此船的船机桨匹配是不当的。主机要么超负荷运转,要么其功率不能完全发挥出来,这是由设计产生的问题。对于这样现存的船舶,船型和主机是不可能改变的,所以螺旋桨的优化设计就成为调整船机桨匹配关系的关键。这些推船几乎只有两种航行工况:满载和空载,其航线和货物流向是稳定不变的。图1 147kW推船+4驳船