调距桨推进装置机桨优化匹配研究.doc

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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KAMEWA、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KAMEWA(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。个人收集整理，勿做商业用途文档为个人收集整理，来源于网络
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《海个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途
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。
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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。

2．2调距桨推进系统
2．2．1调距桨系统的组成及结构
调距桨系统一般包括五个基本组成部分:调距桨、传动轴、调距机构、液压系统及操纵系统。各部分功能技术如下：
1．带转叶机构的调距桨它包括可活动的桨叶、桨毅及桨毅内转动桨叶的旋转机构；
2．轴系调距桨与轴系相连，轴的某些部分（一般是尾轴和配油轴）包含在调距桨装置中；另外，当伺服动力油缸位于桨后部时，为了引进和排出液压油将轴做成中空。首端通过联轴器与中间轴和主机动力相连；
3．调距传动机构通过产生转动桨叶所需力的伺服动力油缸,输送液压油给油缸的配油装置、桨叶定位和桨叶位置的反馈装置及其附属设备等，用来调节螺距、稳距,以及对螺距进行反馈和指示；
4．液压系统液压系统是将船上已有的动力改变为伺服油缸所需的液压油来传动。系统中主要有带传动装置的油泵、分配转向阀等阀件、油箱和管路组成；结构图2．4如示：
l—桨叶；2—转盘：3．圆柱销；4—活塞；5、6．螺母；7—滑板；8．支承盘；9-支承座;lO．轴承；
11．弹簧；12．配油轴承；13一销止阀；14_反馈机构；15一拉杆；16．油泵；17—转向阀;18．溢流
阀：19．流量控制阀；20-单向阀；21．过滤器；22．油箱
图2．4液压调距桨装置组成和结构
Fig．2．4 Compositiona
nd structureo
fhydraulicC
PP
5．操纵系统包括操纵台和控制系统。在联合控制时，转动遥控操纵手柄时，能同时改变螺距和主机转速,系统中有附属于此系统的遥控伺服机构、信号发送、接收和指示机构等。
Alphatronic的调距桨遥控系统组成如图2．5所示:
7第2章调距桨推进系统分析
l,驾驶台操纵面板；2．集控室操纵面板;3．驾驶台、集控室控制转换面板；4。控制接
口转换单元；5．负荷程序单元（可根据实际要求选用)；6．主机调速器；7．液压机构;8．调
距桨。
图2．5 Alphatronic的系统结构图
Fig．2．5 Alphatronicr
emote control structure
2．2．2调距桨推进系统的几种主要配置方式
1．单机单桨方式[16-17]
此种方式分为使用二冲程低速或四冲程中速的主柴油机两种情况.若使用二冲程低速机，则直接带调距桨；若使用四冲程中速机，则先经过减速齿轮箱,再通过离合器或不带离合器连接到调距桨;选用离合器是为了驱动轴带负荷，例如轴带发电机时二者之间操作切换方便。由于单机单桨的可靠性不是太高，这种推调距桨推进系统机桨匹配优化研究进方式较为少见【18】.
2．双机双桨方式
此种方式也分为使用二冲程低速或四冲程中速柴油主机两种情况。同样地，对于二冲程低速机，通常直接与调距桨相连；四冲程中速机则先经减速齿轮箱再通过离合器或不带离合器与调距桨相连。离合器的作用与单机单桨方式下相同。由于采用了双机双桨，这种推进系统的可靠性要远远高于单机单桨,因此它也使用得最为普遍，大连至烟台航线的多数客轮都是采用此种方式。
3．侧推器(首侧推、尾侧推）
调距桨作为侧推器使用时，通常采用电机驱动方式，即由异步电机通过减速装置带动调距桨。其原理是：在电机及螺旋桨的转速保持固定不变的前提下，仅通过调节螺距即可改变螺旋桨推力的大小和方向。在交流电机变频调速技术发展起来之前，这种方式曾被较多的采用。但随着交流变频调速技术的成熟,交流电机带定距桨时的调速问题随之得到了较好的解决，这种推进方式在未来市场上的份额会受到很大冲击。
实船上，作为主推进装置的调距桨推进系统，通常都会带上一台轴带发电机，这样能够起到节约能源、降低造船和营运成本(使用轴带发电机则可以减少一台柴油发电机组)、减小运行时机舱内的噪音等作用。
2．2．3调距桨运行特征
对于定距桨船舶（FPP）,主要是根据主机的额定功率和额定转速来设计的，如图2—6所示的定距桨特性曲线与主机速度特性曲线之间的关系【191。图中，l、2、
3曲线分别表示主机在超负荷、全负荷、低负荷下运行的速度特性曲线。可以看到:
1．当船舶在稳定的设计满载工况下航行，主机能发出全部功率，即额定扭矩、额定转速，船舶达到额定航速;
2．当船舶转入超载工况下航行,主机达不到额定转速,也就发不出额定功率;
3．当船舶转入轻载工况下航行,主机不能发出额定扭矩,所以也就发不出额定功率。
这些现象说明，定距桨船舶推迸系统在偏离设计工况时，都不能发出主机的全部功率。
9第2章调距桨推进系统分析
嚣嘲nt嗣nzno
图2．6定距桨特性曲线
Fig．2．6C
haracteristic 0111Nc ofFPP
图2．7调距桨特性曲线
Fig．2．7C
haracteristic curvo ofCPP
而对于调距桨推进系统来说，除了与定距桨相同，主机转速的改变会同时影响主机功率高低以及航速快慢等情况.还可以通过系统螺距的变化,使航行工况调节得更为合理，更趋于最佳的运行状态，因而可得到更好的经济效益。在螺距调节过程中，每一个螺距变化就相当于换了一只螺旋桨。而不同的螺旋桨有各自的特性曲线。图2．7给出了两组特性曲线,表示转速、螺距、功率以及航速之间的相互关系，这些特性曲线是在航行条件相同的情况下得出来的。图2．7中,1、2、3、4……8是一组从大到小不同螺距情况下的螺旋桨特性曲线（有时也可以用螺距／桨叶直径之比来标志)。图中的虚线表示最佳转速和螺距的关系。A、B、C、D、E是一组不同航速的速度特性曲线。
图中表明：如果要求航速保持不变，那么加大螺距会要求转速降低，减小螺距则要求转速增加.如果主机转速维持一定，那么加大螺距将使航速和功率都得到提高,反之就都有降低。
理论和实践都表明：同时改变螺距和主机的转速，实行联合控制，比仅改变螺距在节油方面具有更明显的经济效益。
2．2．4调距桨基本工作特性
调距桨具有如下三个基本工作特性[20-21】：
1．船舶在任何工况下均能保持主机的最佳工况。当螺旋桨的转速以。和直径D确定下来，要在任何阻力下保持航速一定,只要配以一定的螺距比n／D，就可保持扭转系数j乙不变，从而使Ⅳl=常数，保持主机在额定工况下运行。
2．不同的转速以。和螺距比H／D相配合,可得到所需要的船舶航速。通过合理的搭配刀.和HID都能得到给定航速的推力。如图2-8所示，调距桨在柴油机
．
f
上限曲线l、最大转速线2、最低稳定转速线3和最低负荷曲线4所属的区域内任何一点工作.在该区域内任意搭配一，和H／D都能得到给定航速的推力。
3．在保持螺旋桨转速玎。不变的情况下,改变螺距比n／D,船舶可从正车最大航速到倒车最大航速.当桨叶处在零螺距位置时，主机以一定转速运转,桨的推力为零,船舶不动。当桨叶转到负螺距位置时，主机不改变转速和转向,船舶实现倒航。
碱转，分，图2．8某调距桨船航行曲线
Fig．2．8 Navigat／on CUI”Ve of a ship第2章调距桨推进系统分析
2．3调距桨推进系统控制方式
2．3．1调距桨推进系统的主要控制方式
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，也称为随动控制.虽然其控制系统比较简单,但要求驾驶台操纵人员非常了解螺旋桨的性能，因而操纵比较复杂,而且有可能以不适合于螺旋桨(出现空泡、效率低）和主机(出现超载、失速)的转速和螺距组合来控制螺旋桨运转。除了在较早建造的船舶上以外，现在采用这种控制方式的已不多见。
2．组合控制方式
组合控制是保持主机转速和调距桨螺距角按预定不变的程序运行，通过单一控制杆同时控制转速和调距桨的螺距角.选择这种方式时,操纵是根据预先设定的联合曲线迸行的,这样可以保证设定工况下最佳的操纵性能以及经济性,因为联合曲线的设定是综合考虑了螺旋桨的效率、船舶的操纵性以及主机的负荷、最低燃油消耗率等因素；同时它还可以保证主机在各种不同工况下不会超负荷运行。但采用这种控制方式时,只是在设计工况下才能保证螺距角和主机转速的最佳匹配,一旦船舶航行状态改变后，就很难保证它们之间的最佳匹配关系。尤其在高负荷下，随着船舶航行状态的改变，螺旋桨吸收的功率变化也很大，其控制状态在某些特殊的工况下可能比单独控制方式还要糟糕，此时不适合采用这种控制方式，因此它适用于航行工况比较单一的船舶如定点班轮等。在现今船上调距桨大多采用的是组合方式的一种改进——自动负荷控制方式。自动负荷控制方式是用单一操纵手柄来设定主机的负荷和转速，其基本原理是将实际负荷与设定负荷相比较,根据负荷偏差自动控制调距桨的螺距角,直到实际负荷与设定负荷相等。自动负荷控制的负荷设定原则是使推进系统(主机和螺旋桨)的综合效率最高，这样在额定工况下其推力也最大。在这种控制系统中，在低负荷范围内可将其自动转为恒定转速控制。这种控制方式在主机的所有工况下都能获得较高的效率和良好的操纵性能。本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络
3．定速控制方式
也称为轴带发电机方式、螺距控制或跟踪控制。选用这种操纵方式时，保持主机转速恒定，仅通过调节螺距角来改变船速。这种方式下由于主机转速保持
12调距桨推进系统机桨匹配优化研究恒定，通常由它来驱动轴带发电机等辅机。
4．非跟踪控制方式
这是应急操作时的控制方式.当螺距控制系统出现故障时，而电源和螺距液压驱动系统仍能正常工作,可利用驾驶台上的应急操纵按钮通过这种控制方式直接控制调距桨的螺距；或者是将调距桨的螺距固定在正车某一位置，将它作为定距桨来使用。它通常作为上面其它控制方式的备用控制方式。
2．3．2调距桨控制方式的要求
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。在“育鲲”实际航行过程中，我们发现由于可调距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，不能将调距桨的优点充分发挥出来。所以,我们要求船舶管理人员熟悉调距桨的多种控制方式，充分体现可调距桨船舶推进装置的优越性。调距桨控制方式的具体控制要求有：
1．基本控制要求
调距桨控制过程中要求以较快的控制速度,平稳、无超调地逼近指定螺距，并且工作稳定、可靠。
2．特殊航行工况要求
在大、中型船舶通过复杂航道或进出港时，既需要超低速航行,又要有良好的机动性和操纵性。调距桨可以采用恒定转速方式，在良好的发动机转速下把推力从最大值减小到任何值，因而使船舶超低速航行.必要时还可使调距桨交替正车或倒车,以保证舵效。在船舶通过大型运河时,由于航行工况比较稳定，可以采用同时调节转速与螺距的联合控制模式。
3．经济性要求
选取合理的方式控制航速使燃油量为最小,从而改善了船舶的经济性，增加了船舶续航能力。第2章调距桨推进系统分析
2。4调距桨的优缺点及应用
传统意义上，对于采用主柴油机动力的可调螺距螺旋桨作为推进装置的船舶，人们将其在海上各种航行状态时的基本工况归结为2类：一类为稳定工况，包括前进工况，后退工况，系泊工况，拖、顶工况；另一类为变(机动)-r况，包括变速、变载工况,机动（过渡）如转弯、紧急换向工况。紧急换向工况是海上前进航行船舶为避免可能发生的海难事故，而尽快将可调桨的正螺距变为负螺距，迅速将船舶前进改为后退的应急工况，它要求推进装置响应的快速性和可靠性。
2．4．1调距桨的优缺点
螺旋桨作为船舶推进装置的重要组成部分，其性能对推进装置的整体效率有很大的影响。普通的定距桨螺距固定,一旦制造好后就不再改变,因此只有一组工作特性曲线；而调距桨的桨叶螺旋面与桨毂可作相对转动，通过转动桨叶可以改变螺距，进而改变其工作特性曲线，因此一只调距桨相当于无穷多个相同外径不同螺距的定距桨嘲。调距桨在运行时既能调节螺距，又能调节主机转速，因而对比定距桨只能调节主机转速而言,它能够在更大的范围内更好的与主机配合工作【231。调距桨对比定距桨而言具有以下优点：
。
1．对船舶航行条件的适应性强：不论船舶航行的阻力因素如何变化，只要适当调节其螺距，可使调距桨的转矩不变，这样主机可以持续发出额定功率，并维持在额定转速下运转。
2．动力装置的经济性好：调距桨每改变一次螺距就会有一条效率曲线，每条效率曲线都有一最高效率值，沿着各条效率曲线最高值的包络线运行时，其效率比偏离设计工况的定距桨效率要高，因此采用调距桨对于不能总是运行在设计工况下的船舶而言是切实有效的推进措施。
3．船舶的机动性高：船舶采用调距桨时，船速的调节可通过改变主机转速和桨的螺距两个参数来完成；船舶的进、退可通过螺距角的正、负变化来完成。这样在三个方面提高了船舶的机动性：（1)螺距角的正、负转换比主机换向迅速,尤其在船速较高时。(2)调距桨船能比定距桨船提供更大的反向推力。(3）船舶可进行无级调速.主机保持在高转速时也可通过降低螺距以获得极慢的航速，完全不受主机最低稳定转速的限制。这在船舶航行中的操纵避碰方面是一个极大的优势.
14调距桨推进系统机桨匹配优化研究
4．有利于主机驱动辅助负荷：调距桨船可通过调节螺距使主机以恒速运转，这有利于主机驱动轴带负荷如轴带发电机等。例如，某些工程船如挖泥船、消防船等在满载航行或奔赴火区时，主机功率全部供给螺旋桨以全速前进，而达到工作区后主机的大部分功率则用于驱动消防水泵等辅助设备。
5．延长了发动机的寿命：调距桨船可通过改变螺距的正负来改变螺旋桨的推力方向，使主机转速可以固定在最适当的位置,从而减少主机起、停次数，使得运动部件的磨损及受热部件的热疲劳损坏程度降低.对两艘完全相同仅螺旋桨不同的姊妹船的统计表明：在完全相同的航次、航程中,定距桨的主机起动次数为2500次以上，而调距桨的主机起动次数为102次，相差了近25倍,过频的起动次数大大降低了船舶主机的使用寿命。
．
6．便于实现遥控：柴油机的起动遥控机构比调距桨机构的转速遥控和螺距遥控部分要复杂得多，而调距桨可在柴油机不停机的情况下进行各种调整,因此船舶操纵系统在采用调距桨时更容易实现集控和遥控。对于多桨船舶，由驾驶台直接操纵螺距,不仅可以达到各桨动作的同步，更提高了机动性能。随着现代化船舶自动化程度越来越高，采用调距桨便于集控和遥控,很好地顺应了这一发展趋势嗍.当然,调距桨也有一些其固有的缺点。例如：造价和初装费用较高、可靠性不及定距桨、额定工况下的效率稍低、桨叶根部易发生空泡等,但从总体上来讲，调距桨与定距桨相比,具有航行条件适应性强和动力装置的综合经济性好的优点圈
o
2．4．2调距桨应用
从上述调距桨的工作原理及所具有的诸多优越性来看，一般而言，下列几种
类型的船舶宜采用调距桨推进系统：
1．对灵敏度要求较高，需要经常灵活地前进、停止及倒退的船舶，如港作的
拖轮,车客渡船、海洋调查船等；
2．对航程较远、具有多种工况的船舶。如拖网渔船、捕鲸船等；
3．对一些专用的工程船舶，加布缆船、消防船等;
4．对水域情况变化较大，航道复杂、桥孔较多的内河运输船舶,如长江、运
河的船舶及船队.
15第2章调距桨推进系统分析
然而，由于调距桨具有的优越性，现己不仅仅只限于上述几种类型的船舶采
用调距桨。国际、国内己有许多大型的散装货船、集装箱船、滚装船、油轮及大
型顶推船队也都采用调距桨推进系统。因此，调距桨推进系统具有很大的发展前
景.国际航运界已有几十年的使用经验，调距桨推进系统的技术己日臻完善，海
洋、江河、湖泊里的各种运输船舶常常采用此种推进系统.如美国的密西西比河、
欧洲的莱茵河、俄罗斯的伏尔加河及北非的尼罗河均有采用此种推进系统的运输
船舶和推拖船队。装有调距桨推进系统的船舶，特别是推拖船队，在停靠码头、
过桥孔、过船闸以及经过复杂的航道等情况下,更显示出操纵性好,安全可靠的
特性。
2．5本章小结
本章简要介绍了调距桨推进系统的主要构成,重点分析了其主要配置方式和
主要控制方式：通过分析可调距桨的运行特征、基本工作特性以及优缺点，说明
了调距桨的控制系统的重要作用。第三章将重点研究采用联合控制方式时,变距
桨系统中的机桨匹配问题。
16调距桨推进系统机桨匹配优化研究
第3章调距桨联合控制系统机桨匹配优化
采用调距桨的船舶推进装置可以在一定范围内选取转速和螺距的组合,产生
不同的推力，以满足船舶各种工况和作业的需要。在船舶操作中，这一过程是通
过联合控制系统来完成的.国内船员对于调距桨联合控制系统还不是很熟悉，包
括实习船“育鲲"在内，航行过程中对于调距桨推进装置操作模式过于单一，不
能充分发挥调距桨的优越性。本章将重点研究联合控制系统中机一桨的“最佳"
匹配,便于广大船员深入了解调距桨联合控制系统。
3．1机桨联合控制原理
对于装有定距桨推进装置的船舶，改变船速的唯一办法是改变螺旋桨的转
速。而对于装有调距桨的船舶，船舶航速的改变,是由推进装置的转速和调距桨
的螺距这二个因素来决定的。调距桨子系统和柴油机子系统交叉偶合，如图3．1
所示，在某一船舶阻力状态下，调节螺距会使桨的水阻力矩发生变化，进而影响
柴油机的油门大小并导致柴油机的输出扭矩发生变化；同样调节柴油机的转速也
影响调距桨的水阻力矩并使油门变化［26—28]。
油门FPS
图3，l机桨耦合模型
Fig．3．1 Coupling model ofengine—propeller
17第3章调距桨联合控制系统机桨匹配优化
本章主要研究调距桨与柴油机的优化匹配控制问题，亦即使调距桨的水阻力
矩趋于柴油机的输出扭矩而保持机桨的匹配。对装有调距桨推进装置的船舶，要
获得一定的航速,可有很多种转速与螺距的组合.如果我们把调距桨推进装置的
转速与螺距，运用一只手把来进行遥控，同时调整转速与螺距，并且使得这一组
转速与螺距的配合是“最佳"的，我们把这样的控制称主桐广调距桨联合控制系
统。
3．2机桨联合控制的关键问题
3．2．1机桨联合控制的目标
机桨联合控制是指用单操纵手柄同时操纵调距桨的螺距日和主机的转速,，，
联合控制的意义在于机桨的良好匹配.由于船舶的种类繁多，各有各的使命，所
最求的（最佳)目标并不完全相同.若仅从推进的有效性角度出发，那么，按船
舶种类和作业要求,大致可归纳成两种目标：
1．推进装置单位时间的耗油量G最小，即
minq
作为最佳匹配的目标函数。
2．推进装置在任何航速下推力最大，即
maxP
作为最佳匹配的目标函数。
对于拖网渔船常常最求极小化的装置耗油量。因为拖网渔船，据统计,拖网
作业时间占出海时间的40％以上,往返渔场和转移渔场时间占23％至33％.拖
网作业，主机以较大功率运行,若能在满足拖网力的前提下，最可能地减小装置
的耗油量,那么，在整个作业时间就能减少燃油费用，求得极高的经济效益。货
驳拖轮或顶推轮也往往以此作为目标。
港作拖轮则往往以极大化推力作为最优化目标,这是由它们作业性质决定
的。救助拖轮也是如此。这类工作船拖曳作业的时间短，但要求提供大的拖力。
而且大的拖力也扩展了工作范围。大连海事大学“育鲲”轮是以教学为目的的实
习船,不适合以推力最大作为优化目标，所以本章以耗油量最小作为机—桨联合
控制的优化目标。调距桨推进系统机桨匹配优化研究
基于机桨优化匹配的目标，机桨联合控制的关键问题可归结为三个方面:首
先是如何获取优化后的机桨匹配关系,以降低甚至消除主机的剩余功率；其次是
如何在保持机桨匹配的条件下保护主机免受损害，即尽量缩短主机的过载时间或
避免过载发生；最后是如何降低和消除由于随机干扰(如海浪等导致船舶阻力状
态的瞬变）可能导致的机桨失配12恻.
3．2．2机桨联合控制的方法分析
为了获取相互匹配且优化的螺距调节轨线和转速调节轨线，我们必须要对船
舶定常工况下的主机-调距桨—船体的综合稳态特性进行分析.它们之间的关系
可用下面一组方程来表示【31—33]:
根据牛顿定理，船舶推进系统在无偏转作用时的动力学方程和运动学方程可
以用下面方程来描述：
动力学关系：
卜辱圳鲁
2以专_%扣吩一埤
（3．1）讲
.
7‘
f，2 1’l
运动学关系：
%=％·f
％=(1一co）·匕
在上列式中：
P——可调螺旋桨有效推力（N）；
辟——船体的运动阻力(N）；
W——船舶的质量(包含水）(kg）;
％—--螺旋桨的进速(咖)；
匕—-船舶的航速(咖）;
I-—摊进轴上总转动惯量；
~——螺旋桨转速（，／mm)；
19
(3．2）第3章调距桨联合控制系统机桨匹配优化
勃——主机转速（r／min）：
%——主机的输出转矩(N·M)；
吩-—轴系的摩擦力矩（N·M)；
坼——螺旋桨的阻力矩（N·M)；
f——后传动装置的减速比，j=%／咋；
其中，推进轴上总转动惯量I包括以主机旋转的转动惯量Il以及以螺旋桨旋
转的转动惯量12,即,=‘·i2+厶.
根据柴油机原理,我们知道，柴油机有效耗油率&指每有效马力小时的耗
油量，它可以通过对柴油机有效功率Pc，每小时燃油消耗量Gf的测量而求得。
G
＆=亏(3．3）
式中：&——柴油机有效耗油率，(馏／加·h）；
￡——柴油机有效功率,(ks,)；
q——每d，Uq燃油消耗量,（kg／h）
同样的,
P钏卅玛(苦,乃脚4砖
(3—4)
呜=&(石H，冬咖。谚（3．5）
￡=石(墨，K，孙，魄……）(3．6)
＆2 A（eo，名，e，％，磊……）(3．7)
吩=五(%)
（3．3)
乃2％／%D（3．9）
式中，
巧—-螺旋桨的推力系数
K≥——螺旋桨的扭矩系数
p——水的质量密度，本文讨论的是育鲲轮航行环境是在近海区域，故使
用海水的密度。
20调距桨推进系统机桨匹配优化研究
％——螺旋桨转速cqmm);
D—-螺旋桨的直径，螺旋桨的直径为3．800m
巧=珞（1一动螺旋桨进速
D——伴流系数
t—隹力减额系数
厶—-螺旋桨进速系数
日——螺距
驯D一螺距比
％—-螺旋桨效率
％——船体影响系数
只——主机平均有效压力
￡——主机排气压力
名—-主机入口处的空气压力
写——主机入口处的空气温度
我们知道，在上述表达式中包含了很多的、以图表形式给定的、复杂的非线
性关系,这样就不能够运用一般的数学形式来求得“最佳"程序，而必须要用图
解法～数字计算两者综合的方法【j¨51。
3．3机桨联合控制的机一桨匹配优化
在确定了机桨联合控制的目标和分析方法后，下面结合“育鲲’'船、机、桨
的设计资料来确定最低耗油量Gf的机一桨匹配关系及操作程序.
3．3．1机桨匹配优化目标的影响因素
推进装置耗油量的大小，主要取决于两个性能参数:一个是螺旋桨的效率；
另一是主发动机的有效效率，或者说有效耗油率＆，即所需的主发动机的输出
功率.两者的综合决定了推进装置的效率,换句话说，就是推进装置的单位时间
耗油量。
螺旋桨的有效推功率
亚驴=e。仇。仇’仇。%(3．10)
21第3章调距桨联合控制系统机桨匹配优化
％-—．轴系传递效率
仇——相对旋转效率
仇—-船身效率
％—-螺旋桨效率
当螺旋桨的有效推功率THP等于船体有效功率EHP时，则船舶就以一个确
定的航速圪航行,于是
THP=EHP=￡。仉'%'r／,。%（3．11)
或者
当船舶以K速度航行时，推进装置的耗油量为：
q=忍·＆=(册(K）'＆)／（％’rb。仇'％)
（3．12）
在航速变化不大的情况下,轴系传递效率仇、相对旋转效率珥、船身效率％
变化很小,故忽略不计。因此上式可写成
q=c-E卯（圪）＆（M，以)／％(驯D，乃)（3．13）
因此推进装置耗油量主要由圪航行时的船体有效功率EHP（V,），螺旋桨的敞
水效率％和主机的有效耗油率＆决定。当航速一定时
Gf=c.&(M,刀)／%（HID，乃)(3．14）
即对每一个给定的航速，推进装置耗油量仅是&和巩的函数.或者说是主
机扭矩材和转速胛,螺旋桨迸速系数屯和螺距比驯D的复合函数,可写为：
G，=f(g,以，驯D，乃)（3．15)
3．3．2机桨匹配优化中螺旋桨效率的确定
1．螺旋桨MAU图谱法介绍
螺旋桨图谱是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成的。目前各国已经发表的
螺旋桨设计图谱很多，有的只是表达形式不同而实验资料相同；有的则是螺旋桨
形式不同.因此，在进行图谱法计算时，必须针对船舶特点,现有螺旋桨特点，
选用合适螺旋桨图谱。目前,在商船螺旋桨设计中，以荷兰楚思德召型螺旋桨和
日本AU型螺旋桨应用最为广泛。调距桨推进系统机桨匹配优化研究
(1)AU型图谱
AU型螺旋桨是日本运输技术研究所发展的螺旋桨系列，属于占一万型图谱.
近年来日本有关部门又对切面形状等作了